ДЕРЖАВНИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ

ДЖУРА ВОЛОДИМИР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 624.015.5

СТИСНЕНІ ЕЛЕМЕНТИ ІЗ СТАЛЕВИХ ДВОТАВРІВ З

ПОРОЖНИНАМИ, ЗАПОВНЕНИМИ БЕТОНОМ

Спеціальність 05.23.01. Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КИЇВ 2006

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Полтавській регіональній лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України.

Науковий керівник:–

доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, головний науковий співробітник Полтавської регіональної лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій Міністерства будівництва, архітектури та житлово-комунального господарства України.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Барашиков Арнольд Якович, завідувач кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій Київського національного університету будівництва і архітектури;–

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Аметов Юрій Григорович, завідувач лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій.

Провідна установа:

Харківський державний технічний університет будівництва і архітектури, кафедра залізобетонних і кам’яних конструкцій.

Захист відбудеться „ 19 ” вересня 2006 р., о 1400 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 „ 01 ” серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

Вченої ради К26.833.01 Ю.С. Слюсаренко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Останнім часом в Україні та за кордоном одним із напрямів наукового прогресу в будівництві є пошук нових видів сполучення сталі та бетону для їх спільної раціональної роботи в будівельних конструкціях.

Такі сполучення знаходять місце в сталезалізобетонних конструкціях, до складу яких входять прокатні профілі, стрижнева арматура й бетон. Сталезалізобетонні конструкції здатні надійно працювати за складного температурно-вологісного режиму, в умовах агресивного середовища, де застосування звичайного залізобетону ускладнено. Особливо яскраво переваги сталезалізобетону проявляються в стиснених елементах із малими ексцентриситетами прикладення навантаження.

Найбільше застосування отримали конструкції, які дозволяють значно спростити технологію виготовлення окремих несучих елементів та зведення всієї споруди, підвищити техніко-економічну ефективність будівництва. Такими конструкціями можуть бути стиснені елементи із сталевих прокатних двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном. Запропоновані конструкції мають суттєві переваги при проектуванні та будівництві. Складнощі, які виникають при проектуванні таких конструкцій, примушують користуватись приблизними методами розрахунку, що призводить до зайвої витрати матеріалів у сталезалізобетонних конструкціях, а в деяких випадках і до їх недостатньої надійності. Тому завдання дослідження міцності та деформацій елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, і розроблення методики їх розрахунків є актуальними.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в Полтавській регіональній лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій. Дослідження проведені згідно з планом робіт інституту щодо дослідження та впровадження у будівництво сталезалізобетонних конструкцій. Дисертація виконувалась в 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 стальних труб, заповнених бетоном при складних навантаженнях” (державний реєстраційний номер 019U006060).

Метою роботи є експериментальне оцінювання і розроблення методики розрахунку несучої здатності й напружено-деформованого стану позацентрово стиснених елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, впровадження результатів дослідження у виробництво та норми проектування сталезалізобетонних конструкцій.

Завдання роботи:–

виявити та обґрунтувати ефективні способи забезпечення сумісної роботи сталевого прокатного двотавра з бетоном, що заповнює бокові порожнини;–

провести експериментальні дослідження несучої здатності та характеру деформування запропонованих конструкцій різної висоти з різними діаметрами поздовжньої арматури та різними ексцентриситетами прикладення навантаження.–

розробити методику розрахунку несучої здатності та оцінювання напружено-деформованого стану досліджуваних конструкцій;–

розробити рекомендації до впровадження досліджень при зведенні будівель із використанням запропонованих конструкцій.

Об’єкт дослідження. Стиснені елементи зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Предмет дослідження. Несуча здатність і напружено-деформований стан стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном, при дії центрального, позацентрового та косого позацентрового навантаження.

Метод дослідження є експериментально-теоретичним. Він складається з вивчення й аналізу літературних джерел, на основі якого формулюється мета та завдання роботи, виконуються експериментальні і теоретичні дослідження міцності й деформативності стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:–

виявлені експериментальними дослідженнями характерні форми руйнування зразків стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном;–

визначений вплив діаметрів поздовжнього армування, висоти стиснених елементів та ексцентриситетів прикладення навантаження на міцність і деформативність досліджуваних елементів;–

запропонована методика оцінювання напружено-деформованого стану стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном, при різних видах навантаження;–

запропонована методика визначення несучої здатності стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном, при різних видах навантаження.

Практичне значення отриманих результатів:–

сформульовані рекомендації щодо раціонального застосування стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном;–

запропонована методика визначення несучої здатності та оцінювання напружено-деформованого стану стиснених елементів із сталевих двотаврів з заповненими бетоном боковими порожнинами з урахуванням їх геометричних параметрів і фізико-механічних характеристик матеріалів;–

на основі запропонованої методики розроблена програма для визначення несучої здатності та оцінювання напружено-деформованого стану досліджуваних конструкцій за допомогою ЕОМ;–

результати роботи використані при проектуванні реальних конструкцій і впроваджені у будівництво.

Особистий внесок здобувача полягає в наступному:–

одержані результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану та несучої здатності стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном;–

запропоновано метод оцінювання напружено-деформованого стану стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном;–

розроблена методика визначення несучої здатності досліджуваних елементів;–

здійснене проектування несучих конструкцій та впровадження у будівництво елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на 53 – наукових конференціях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка в  –  роках.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в п’яти надрукованих працях, із яких чотири (поз. №2 - №5) відповідають вимогам ВАК до фахових видань.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків та рекомендацій, списку використаних джерел із 192-ох найменувань і додатків.

Робота виконана на базі Полтавської регіональної лабораторії Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій під керівництвом доктора технічних наук, професора Л.І. Стороженка.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, дана загальна характеристика роботи, показані її новизна та практичне значення.

Перший розділ присвячений аналізу проведених досліджень уже відомих сталезалізобетонних і комбінованих залізобетонних конструкцій, а також розгляду існуючих методик розрахунку стиснених елементів.

Питання дослідження комбінованих залізобетонних та сталезалізобетонних конструкцій, а також методи їх розрахунку розглянуті в роботах Ю.Г. Аметова, О.Я. Берга, О.О. Гвоздева, Г.А. Генієва, О.А. Долженка, В.І. Єфименка, О.І. Кікіна, Ф.Є. Клименка, Л.К. Лукші, О.В. Нижника, Р.С. Санжаровського, О.В. Семка, Л.І. Стороженка, В.М. Сурдіна, М.М. Стрелецького, В.А. Трулля, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіна, В.М. Фонова, Л.М. Фомиці й інших дослідників.

У цих роботах достатньо широко висвітлені проблеми залізобетону та сталезалізобетону, але значна кількість практично і теоретично важливих задач все ще потребує розв’язання. Зокрема, не вивчені питання розрахунку й конструювання стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном.

На основі виконаного огляду наукової літератури сформульовані завдання дослідження.

Другий розділ присвячений методиці проведення експерименту та визначенню фізико-механічних властивостей матеріалів, із яких були виготовлені зразки.

При плануванні експериментальних досліджень ураховувались різні фактори, що можуть впливати на значення несучої здатності позацентрово стиснутих елементів, а саме: довжина елемента, наявність бетонування й армування бокових порожнин двотавра, спосіб приєднання поздовжньої арматури, діаметр поздовжньої арматури та ексцентриситет прикладення зовнішнього навантаження. За планом експерименту було виготовлено дві групи зразків. Перша група виготовлялась зі сталевих прокатних двотаврів № 16 з довжиною 800мм, 1200мм та 1600мм; із поздовжньою арматурою класу А-ІІІ O12мм, O16мм і поперечною арматурою класу А-І O6мм; із заповненими бетоном класу В30 боковими порожнинами. Друга група зразків виготовлялась зі сталевих прокатних двотаврів № 20 з довжиною 2000мм; із поздовжньою арматурою класу А-ІІІ 10мм, 14мм, 22мм та поперечною арматурою класу А-І 6мм; із заповненими бетоном класу В25 боковими порожнинами. Для виявлення ефективності роботи сталезалізобетонних елементів випробовувались двотаври з незаповненими бетоном боковими порожнинами з розмірами, відповідними для першої та другої груп. Із метою визначення фізико-механічних властивостей бетонів випробовувались стандартні куби 100100100мм і призми 100100400мм, виготовлені з бетонів тих же складів, що і дослідні зразки.

В усіх серіях випробовувалось по два-три зразки-близнюки. Конструкцію експериментальних зразків наведено на рис. 1, характеристику зразків подано в табл. 1.

Експериментальні дослідження проводились згідно наміченої програми. Усі зразки, крім серій Ст , Ст , Ст і Ст , випробовувались на стиск у площині з більшою жорсткістю з початковими ексцентриситетами, рівними 0, 20мм та 40мм, а в площині з меншою жорсткістю з початковими ексцентриситетами, що не перевищували випадковий. Зразки серій Ст і Ст випробовувались на стиск у площині з більшою жорсткістю з початковими ексцентриситетами, що не перевищували випадковий, а в площині з меншою жорсткістю з початковими ексцентриситетами 20мм та 40мм відповідно. Зразки серій Ст  і Ст випробовувались на стиск в обох площинах із початковими ексцентриситетами, що дорівнювали 10мм (максимальне значення випадкового ексцентриситету). Зразки виготовлялись в умовах діючого заводу залізобетонних конструкцій. Двотаври заповнювались у горизонтальному положенні: спочатку одна сторона, потім, через 5 діб, зразок перевертався і заповнювалась інша сторона. Разом із цим для визначення фізико-механічних властивостей кожного складу бетону та для кожної порожнини виготовлялось по три комплекти контрольних призм розміром 100?100?400мм і кубів із ребром 100мм. Ущільнення бетонної суміші виконувалось на вібростолах.

Рис. 1. Конструкція експериментальних зразків

Таблиця 1

Характеристика дослідних зразків та значення їх несучої здатності

Серія зразка | Діаметр арматури, мм | Клас бетону | Ексцентриситет, мм | ,

кН | ,

кН

по осі Х | по осі Y

Перша група (двотавр №16)

Ст-1-0 | - | - | 0 | 0 | 892 | 594 | 1,50

Ст-1-1 | - | - | 20 | 0 | 822 | 554 | 1,48

Ст-1-2 | - | - | 40 | 0 | 700 | 471 | 1,49

Ст 1-1-0 | - | В 30 | 0 | 0 | 1058 | 687 | 1,54

Ст 1-1-2 | - | В 30 | 40 | 0 | 900 | 607 | 1,48

Ст 1-2-0 | 4O12 А-ІІІ | В 30 | 0 | 0 | 1250 | 847 | 1,48

Ст 1-2-2 | 4O12 А-ІІІ | В 30 | 40 | 0 | 1063 | 701 | 1,52

Ст 1-3-0 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 0 | 0 | 1500 | 1013 | 1,48

Ст 1-3-1 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 20 | 0 | 1320 | 886 | 1,49

Ст 1-3-2 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 40 | 0 | 1200 | 795 | 1,51

Ст 1-3-3 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 0 | 20 | 1270 | 847 | 1,50

Ст 1-3-4 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 0 | 40 | 1120 | 737 | 1,52

Ст 2-3-0 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 10 | 10 | 1260 | 846 | 1,49

Ст 2-3-2 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 40 | 0 | 1100 | 753 | 1,46

Ст 3-3-0 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 10 | 10 | 1080 | 745 | 1,45

Ст 3-3-2 | 4O16 А-ІІІ | В 30 | 40 | 0 | 1060 | 721 | 1,47

Друга група (двотавр №20)

СтБ – 1 | - | - | 20 | 0 | 690 | 568 | 1,22

СтБ – 2 | - | - | 40 | 0 | 635 | 477 | 1,33

СтБ – 3 | 2O14 А-ІІІ

2O10 А-ІІІ | В 25 | 20 | 0 | 1050 | 710 | 1,48

СтБ – 4 | 2O22 А-ІІІ

2O10 А-ІІІ

(арматуру приварено до торцевих пластин) | В 25 | 40 | 0 | 1070 | 748 | 1,43

СтБ – 5 | 2O14 А-ІІІ

2O10 А-ІІІ | В 25 | 0 | 0 | 1100 | 775 | 1,42

СтБ – 6 | 2O22 А-ІІІ

2O10 А-ІІІ | В 25 | 40 | 0 | 1090 | 752 | 1,45

Випробування проводились на пресі ПММ-250, навантаження прикладалось через шарніри. 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 з ціною поділки 0,01мм на базі 200мм. Прогини в дослідних елементах вимірювались за допомогою прогиномірів Максимова.

Для вимірювання поздовжніх та поперечних деформацій були використані дротяні електротензорезистори опором 200 Ом і базою 20мм, які наклеювались на бетон, та опором 100 Ом і базою 20мм, що наклеювались на полиці двотавра в середній частині зразків.

Міцність бетону дослідних зразків визначалася шляхом випробування кубиків 100100100мм і призм 100100400мм на пресі ПММ-250. Заміряні поздовжні та поперечні деформації бетону показали: а) модуль деформацій зі зростанням напружень у бетоні дещо зменшується (до 30%), що свідчить про розвиток пластичних деформацій; б) коефіцієнт поперечних деформацій ?b із зростанням напружень збільшується, що говорить про розвиток мікро- і макротріщин відповідно до теорії О.Я. Берга.

При проведенні експерименту були також випробувані на розтяг сталеві смужки, вирізані із стінок двотаврів №16 та №20. Випробування проводилось на універсальній машині УИМ-50. За отриманими даними, згідно з ГОСТ , сталь двотавра №16 була віднесена до класу С-255, а сталь двотавра №20 – до класу С-275.

Крім сталевих смужок були випробувані на розтяг стрижні з арматури класу А-ІІІ діаметрами 10мм, 12мм, 14мм, 16мм та 22мм. Випробування проводились ступінчасто зростаючим навантаженням на пресі ГМС-100 №32. Під час експерименту було визначено межу пружності арматури – ?y, тимчасовий опір – ?u та модуль пружності – Es.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном.

При проведенні експериментальних досліджень ставилась задача отримати дані, що характеризують як міцнісні, так і деформативні характеристики дослідних сталезалізобетонних елементів. Прийнята методика експериментальних досліджень дозволяла вивчити особливості роботи сталезалізобетонних елементів при центральному, позацентровому та косому позацентровому стискові.

У даній роботі за несучу здатність прийнято максимальне зусилля, котре здатен сприймати сталезалізобетонний елемент без руйнування. За граничне прийнято зусилля, при якому в найбільш стиснутих чи в найбільш розтягнутих волокнах випробуваних елементів досягаються поздовжні деформації, що відповідають початку текучості сталі.

Для аналізу впливу величини ексцентриситету прикладення навантаження введено геометричний параметр , де - висота перерізу елемента, – висота елемента. На рис. 2 зображено залежність відсотка зменшення несучої здатності стиснених елементів від геометричного параметра . Із залежності видно, що величина ексцентриситету більше впливає на короткі та менше на довгі елементи.

Рис. 2. Залежність відсотка зменшення несучої здатності стиснутих елементів

від геометричного параметра

Втрата несучої здатності стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, відбувалась при великих пластичних деформаціях без миттєвої втрати стійкості. Зразки, що мали початковий ексцентриситет, більший за випадковий, зазнавали викривлень на стадії руйнування в площині дії моменту. Зразки з початковим ексцентриситетом в обох площинах мали певні викривлення в обох напрямках. Деформації у більш стиснутій грані прокатного двотавра досягали межі текучості сталі. В середині зразків та біля опор відбувалось виколювання бетону, що свідчить про наявність певного поздовжнього вигину зразків. Зразки, що мали початковий ексцентриситет у межах випадкового, на стадії руйнування втрачали стійкість у площині з меншою жорсткістю.

На всіх етапах завантаження в експериментальних зразках сталь та бетон працювали сумісно. Слід відмітити, що сталезалізобетонні елементи працюють дуже надійно і в граничному стані не відбувається миттєва втрата стійкості.

На рис. 3 та 4 зображено графіки залежності поздовжніх деформацій зразків серій Ст та Ст 1-2-2 від прикладеного навантаження. Графіки залежності показують, що деформації 1-ї та 3-ї граней до навантаження, що дорівнювало 0,7 від руйнуючого, повільно збільшувались, а при подальшому підвищенні навантаження – значно зростали. Подібний розвиток деформацій спостерігався у зразках інших серій, що випробовувались на центральний та позацентровий стиск.

Рис. 3. Залежність величини поздовжніх деформацій 1-ї та 3-ї граней зразків серії Ст від прикладеного навантаження при випадкових ексцентриситетах

За отриманими експериментальними даними було оцінено напружено-деформований стан перерізу зразків серії Ст , що зображено на рис. 5. Із рисунка видно, що більші напруження виникали ближче до точки прикладення навантаження, весь переріз при цьому був стиснутий.

Рис. 4. Залежність величини поздовжніх деформацій 1-ї та 3-ї граней зразків серії Ст-1-2-2 від прикладеного навантаження при позацентровому стиску

Під час проведення експерименту вимірювались вигини зразків під дією навантаження. Залежність величини вигинів від прикладеного навантаження при позацентровому та косому позацентровому стискові у зразках серій Ст та Ст зображено на рис. 6 та 7. Із рисунків видно, що при позацентровому стиску вже на початку зростання навантаження вигин у площині з більшою жорсткістю значно перевищував вигин у площині з меншою жорсткістю. Руйнування зразків серії Ст 1-3-2 відбувалось шляхом утрати стійкості в площині дії моменту з деяким викривленням із площини дії моменту, що підтверджується розвитком вигинів в обох площинах.

Рис. 5. Напружено-деформований стан перерізу зразків серії Ст 

За косого позацентрового стиску у зразках серії Ст вигини в обох площинах рівномірно зростали аж до стадії руйнування. Зразки втратили стійкість у площині з меншою жорсткістю із значним викривленням у площині з більшою жорсткістю, що пояснюється геометрією форми перерізу та неоднорідністю структури бетону.

Рис. 6. Залежність величини вигину зразків серії Ст від прикладеного навантаження

Таким чином, робота стиснених елементів із сталевих двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном, залежить як від геометричних розмірів зразків, так і від величини початкового ексцентриситету прикладення навантаження. На величину поздовжніх деформацій та прогинів впливають фізико-механічні характеристики бетонного заповнювача. Бетонне ядро, що знаходиться в порожнинах двотавра, перешкоджає втраті місцевої стійкості полиць і стінок двотавра.

Рис. 7. Залежність величини вигину зразків серії Ст від прикладеного навантаження

Четвертий розділ присвячений теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану та несучої здатності стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном.

Несучу здатність позацентрово стиснених сталезалізобетонних елементів рекомендується визначати за одним з трьох методів розрахунку, що відрізняються точністю відтворення дійсної картини деформування елементів та граничною межею експлуатації: за приведеним перерізом, за деформованою схемою і за граничними станами.

Розрахунок за приведеним до сталі перерізом (пружний розрахунок) є наближеним і використовується для орієнтовного оцінювання несучої здатності сталезалізобетонних елементів. Розрахунок проводиться з виконанням умов стійкості в площині дії моменту та із площини дії моменту.

Розрахунок міцності за приведеним до сталі перерізом сталезалізобетонних елементів, що працюють на позацентровий стиск, в площині дії моменту виконується за формулою

, | (1)

де - коефіцієнт умов роботи конструкції;

- розрахунковий опір сталевого елемента при роботі на розтяг;

- приведена площа перерізу сталезалізобетонного елемента, яка обчислюється за формулою

, | (2)

де і - коефіцієнти приведення поперечного перерізу відповідно стрижневої арматури та бетону до сталевого двотавра, що визначаються з виразів:

; | ,

де , й - модулі пружності відповідно стрижневої арматури, бетону та сталевого двотавра.

Гнучкість у розрахунку сталезалізобетонних елементів при роботі на позацентровий стиск ураховується коефіцієнтом поздовжнього згину , котрий розраховується за СНиП ІІ-23-81* при відомій гнучкості , що визначається за формулою

, | (3)

в якій - приведений момент інерції, що обчислюється з виразу

, | (4)

де , та - моменти інерції відповідно сталевого двотавра, стрижневої арматури й бетону, що визначаються із сортаменту та за формулами наведеними в дисертації.

При розрахунку конструкцій на косий стиск приведений момент інерції у формулі (4) обчислюється відносно осі, що проходить через геометричний центр тяжіння перерізу перпендикулярно лінії, що з’єднує геометричний центр тяжіння перерізу з точкою прикладення навантаження.

Розрахунок сталезалізобетонних стиснених елементів за деформованою схемою виконується з використанням наступних рівнянь рівноваги:

- рівняння рівноваги проекції всіх сил на поздовжню вісь конструкції;

- рівняння рівноваги моментів відносно якої-небудь вибраної осі в перерізі конструкції, що перпендикулярна площині дії згинального моменту.

При розрахунку сталезалізобетонних конструкцій у загальному випадку переріз конструкції розглядається як набір елементарних ділянок бетону (з індексом ), із стрижнів арматури (з індексом ) та з елементарних ділянок сталевої частини конструкцій (з індексом).

У цьому випадку рівняння рівноваги мають вигляд:

; | (5)

, | (6)

де - зовнішня поздовжня сила;

- відстань від сили до вибраної осі, що проходить по найбільш стиснутій грані перерізу, яка враховує вигин стиснутого елемента і визначається за формулою

, | (7)

де - вигин стиснутого елемента, що розраховується за формулою

, | (8)

в якій - розрахункова висота стиснутого елемента;

, , - площа елементарних ділянок відповідно бетону, сталі та арматури;

,,- відстань від вибраної розрахункової осі до центра ваги елементарних ділянок (відповідно бетону, сталі й арматури);

, , - напруження на елементарних ділянках відповідно бетону, сталі та арматури.

Умова деформування нормального перерізу конструкції приймається у вигляді плоского повороту з лінійним розподілом деформацій за висотою перерізу від розглядуваних впливів.

Деформації бетону , сталі та арматури визначаються за формулами:

; ; , | (9)

де - поздовжня деформація на рівні вибраної осі; - кривизна в розглянутому перерізі.

При визначенні зусиль у перерізі стисненого сталезалізобетонного елемента напруження в бетоні, арматурі та сталі визначаються за деформаціями за допомогою діаграм стану матеріалів, що пов'язують напруження з деформаціями. Діаграми стану подаються у вигляді системи вузлових (базових) точок, які визначають найбільш характерні стадії напружено-деформованого стану матеріалів.

Діаграми стану для стисненого бетону, сталі та арматури наведено в дисертації.

За умови косого стиску розрахункова вісь проходить через точку перетину більш стиснутої грані перерізу із суміжною гранню перпендикулярно лінії, що з’єднує точку прикладення навантаження із центром тяжіння перерізу. Розрахунок виконують, виходячи з вищезазначених рівнянь рівноваги (5) і (6), в яких останнє має вигляд:

, | (10)

де ,,- відстань від вибраної розрахункової осі до центра ваги елементарних ділянок (відповідно бетону, сталі та арматури), що визначаються за формулами:

; | (11)

; | (12)

, | (13)

де , і - відстані по осі Х від точки дотику розрахункової осі з перерізом до центру ваги елементарних ділянок бетону, сталі та арматури відповідно;

, й  відстані по осі Y від точки дотику розрахункової осі з перерізом до центра ваги елементарних ділянок бетону, сталі та арматури відповідно.

Деформації бетону , сталі й арматури визначаються за формулами, подібними до).

Напруження за умови косого позацентрового стиску обчислюються за такими формулами:

; | (14)

; | (15)

. | (16)

Для визначення несучої здатності та напружено-деформованого стану стиснених елементів було складено блок-схему і програму розрахунку з використанням ЕОМ.

Розрахунок на міцність виконується з умови, щоб зусилля від розрахункового навантаження не перевищувало граничних зусиль, котрі можуть бути сприйняті перерізом бетону, сталі та арматури. При цьому розтягуючі зусилля в бетоні не беруться до уваги.

Розрахунок стиснених сталезалізобетонних елементів за граничними станами виконується виходячи з умови рівноваги

, | (17)

де - ексцентриситет поздовжнього зусилля відносно рівнодіючої зусиль у розтягнутій арматурі та сталевому елементі;

, - відстані від стиснутої грані конструкції відповідно до центра ваги стиснутої частини сталевого елемента і стиснутої арматури;

, - площа перерізу відповідно розтягнутої та стиснутої арматури;

, - площа перерізу відповідно розтягнутої і стиснутої частини сталевого елемента;

- ширина перерізу бетонної частини стиснутого сталезалізобетонного елемента;

, , , - розрахункові опори відповідно стиску бетону, розтягу (стиску) сталевого елемента, розтягу чи стиску арматури.

Висота стиснутої зони визначається за формулою

. | (18)

При розрахунок перерізу виконують, приймаючи висоту стиснутої зони за формулою

. | (19)

Стиснуті елементи з випадковими ексцентриситетами допускається розраховувати за формулою осьового стиску

. | (20)

При косому позацентровому стискові розрахунок за граничними станами виконується з розташуванням нейтральної лінії під кутом до перерізу. Формули для цього розрахунку наведені в дисертації.

За трьома наведеними методиками були розраховані деформації та несуча здатність досліджуваних сталезалізобетонних зразків. Порівнянням теоретичних значень з експериментальними даними було доведено їх задовільний збіг. Запропоновані методи розрахунку конструкцій повністю враховують реальну роботу стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, і дозволяють із необхідною точністю визначити їх несучу здатність.

Результати дослідження стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, були використані при проектуванні реальних конструкцій. Згідно із завданням Світловодського заводу швидкомонтованих конструкцій (Кіровоградська обл.) були запроектовані сталезалізобетонні колони запропонованого в роботі перерізу у якості несучих конструкцій для складу контейнерів продовольчої бази у м. Запоріжжі. Необхідність проектування сталезалізобетонних колон була викликана тим, що на заводі немає відповідної сталевої опалубки для бетонування збірних залізобетонних колон.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Результатами дисертації є отримані дані про роботу стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном. Дисертація має експериментально-теоретичний характер. Проведені дослідження дозволили виявити особливості поведінки стиснених сталезалізобетонних елементів під навантаженням, розробити методи їх розрахунку. На основі виконаних експериментальних і теоретичних досліджень можна зробити наступні висновки:

1. На всіх етапах завантаження сталь і бетон у стисненому елементі зі сталевого прокатного двотавра із боковими порожнинами, заповненими бетоном, працюють сумісно. Залежність між зусиллями та деформаціями має криволінійний характер.

2. У результаті експериментальних досліджень установлено, що збільшення діаметру поздовжньої арматури та класу бетону підвищують несучу здатність позацентрово стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном, а збільшення висоти стисненого елемента та ексцентриситету прикладення навантаження знижують їх несучу здатність.

3. Заповнення бокових порожнин бетоном дозволяє збільшити несучу здатність прокатного двотавра в 1,5 – ,7 рази. При цьому значно підвищується загальна стійкість сталевого двотавра.

4. Розроблені методики розрахунку стиснених елементів із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном: за приведеними перерізами, за деформованою схемою та за граничними станами. При розрахунку за всіма методами отримано задовільні збіги експериментальних і теоретичних значень. Метод за приведеними перерізами доцільно застосовувати при попередніх наближених розрахунках.

6. Упровадження результатів дослідження, отриманих у дисертації, свідчить про те, що зі сталевих прокатних двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, можна проектувати несучі колони будівель, які сприймають великі навантаження стиску. При цьому отримується значний техніко-економічний ефект, що полягає в економії матеріалів, трудовитрат і зниженні вартості. При проектуванні таких конструкцій рекомендується використовувати методи розрахунку, запропоновані в цій роботі.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

1. Джура В.М. Експериментальні дослідження стинених елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Вип. 5. – Кривий Ріг: КТУ, 2002. – С. 66–69.

2. Джура В.М. Несуча здатність стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном // Будівельні конструкції. Вип. 58. – К.: НДІБК, 2003. – С. –38.

3. Стороженко Л.І., Нижник О.В., Джура В.М. Несуча здатність і деформації стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Зб. наук. праць Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. Вип. 11. – Полтава: ПолтНТУ.– 2003. С. 152–158. (Особистий внесок: отримано і подано результати експериментальних досліджень).

4. Джура В.М. Розрахунок несучої здатності стиснутих сталезалізобетонних стійок з урахуванням деформування елементу // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Вип. 12. – Рівне: НУВГП. – 2005. С. 144–149.

5. Джура В.М. Напружено-деформований стан стиснутих сталезалізобетонних елементів // Зб. наук. праць. Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. Вип. 17. – Полтава: ПолтНТУ. С. .

АНОТАЦІЯ

Джура В.М. Стиснені елементи із сталевих двотаврів з порожнинами, заповненими бетоном. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди.

Дисертація присвячена дослідженню несучої здатності і напружено-деформованого стану стиснених елементів із сталевих прокатних двотаврів з боковими порожнинами, заповненими бетоном, за умови центрального, позацентрового та косого позацентрового стиску. Досліджувались стиснені елементи з різною висотою, різними діаметрами поздовжнього армування і різними ексцентриситетами прикладення навантаження. Запропоновано рекомендації щодо розрахунку досліджуваних конструкцій по методах за приведеним перерізом, за деформованою схемою та за граничними станами. Результати досліджень використані у проектуванні реальних конструкцій і впроваджені в будівництво, що дозволило знизити витрати матеріалів та вартість будівництва.

Ключові слова: прокатний двотавр, сталезалізобетонні конструкції, напруження, деформації, несуча здатність.

АННОТАЦИЯ

Джура В.Н. Сжатые элементы из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения.

Диссертация посвящена исследованию несущей способности и напряженно-деформированного состояния сжатых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, при центральном, внецентренном и косом внецентренном сжатии.

В первой главе диссертации проведен анализ научных трудов отечественных и зарубежных авторов, посвященных изучению сжатых сталежелезобетонных и бетонных конструкций. Осуществлен обзор известных методов расчета сжатых элементов. Сделан вывод, что вопросы расчета сжатых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, изучены 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 образцов материалов не отличаются от стандартных.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований сжатых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, при центральном, внецентренном и косом внецентренном сжатии. Проанализировано, как влияют на несущую способность сжатых элементов высота образцов, способ прикрепления арматуры, диаметр продольного армирования и эксцентриситет приложения нагрузки. Сделан вывод, что сталь и бетон в конструкциях работают совместно, а заполнение боковых полостей двутавра бетоном повышает прочность на –70%.

В четвертой главе диссертации рассмотрены три метода расчета сжатых сталежелезобетонных конструкций: по приведенному сечению, по деформированной схеме и по предельным состояниям. Отмечено, что эти методы отличаются точностью изображения действительной картины деформирования элементов под нагрузкой. Представлена методика расчета сжатых элементов из стальных двутавров с полостями, заполненными бетоном, которая позволяет наиболее точно определить несущую способность и напряженно-деформированное состояние рассмотренных конструкций. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными показало их удовлетворительное совпадение. Результаты исследования были использованы при проектировании реальных несущих конструкций, что позволило уменьшить затраты материалов и снизить стоимость строительства.

Ключевые слова: прокатный двутавр, сталежелезобетонные конструкции, напряжения, деформации, несущая способность.

ABSTRACT

Dzhura V.M. Compressed steel I-rolled elements with free spaces filled with concrete. – Manuscript.

The thesis is to obtain a Candidate of Engineering Sciences degree in the specialty of “Building Structures, Buildings and Constructions”– reg. # 05.23.01. Engineering constructions, buildings and structures.

The thesis researches bearing capacity and strained-deformed state of the compressed steel I-rolled elements with free lateral spaces filled with concrete under the central, eccentrical and oblique eccentrical compression. The compressed test samples of different length, longitudinal reinforcement diameter and load eccentricity are investigated. Recommendations for calculating of experimental structures from given section, deformation scheme and limit states are proposed. The research results were used in real construction design and applied to building which saved construction materials and reduced financial expenses.

The key words: I-rolled element, steel reinforced concrete structures, strain, deformations, bearing capacity.