ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

СКОЛИБОГ Олександр Валерійович

УДК 624.015.5

СТАЛЕЗАЛІЗОБЕТОННІ БАЛКИ

ІЗ ЗОВНІШНІМ ЛИСТОВИМ АРМУВАННЯМ

Спеціальність 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 і 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 із металу, дерева і пластмас.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор

Роговий Станіслав Іванович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, професор кафедри залізобетонних і кам’яних конструкцій та опору матеріалів;

- кандидат технічних наук, доцент

Єфіменко Віктор Іванович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри архітектури та містобудівництва.

Провідна установа:

- Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, кафедра залізобетонних і кам’яних конструкцій.

Захист відбудеться „ 24 ” жовтня 2006р., о 1330, 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 ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий „ 19 ” вересня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Однією із головних задач, що стоїть перед будівництвом на сьогодні, є створення нових прогресивних конструктивних елементів (форм, перерізів), які б задовольняли вимоги зі зменшення витрат матеріалів, маси як окремих несучих конструкцій, так і будівель у цілому, зниження вартості, трудомісткості виготовлення і підвищення несучої здатності. Цю задачу можна вирішити, використовуючи високоміцні й ефективні матеріали, створюючи нові конструктивні форми перерізів.

Одним із можливих шляхів зменшення матеріалоємності і підвищення несучої здатності несучих конструкцій є раціональне поєднання листової сталі та залізобетону. Ефективність згинальних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням забезпечується за рахунок більш доцільного використання листової арматури шляхом розміщення її на зовнішніх гранях перерізу. Це дає можливість збільшити робочу висоту перетину й одержати відповідний приріст міцності та жорсткості або зменшити розміри поперечного перетину конструкції, а також застосувати зовнішню листову сталь в якості опалубки при бетонуванні, а після затвердіння бетону – в якості несучої арматури.

Зовнішня арматура у вигляді сталевих листів виключає необхідність багаторядного розміщення стрижнів по висоті перерізу, як це часто має місце в звичайних залізобетонних елементах, а також дозволяє економічно використовувати сталь і значно спростити укладання та ущільнення бетонної суміші. Одним із таких типів конструкцій є балки з незйомною сталевою опалубкою. Ці конструкції мають суттєві переваги при проектуванні і будівництві різних будівель і споруд. Але до цього часу не розв’язана проблема проектування цих конструкцій, яка полягає у визначенні кількості арматури, розмірів поперечного перерізу та способів армування. Таким чином, дослідження згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням викликає практичний і науковий інтерес.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Тема відповідає напряму науково-технічної політики держави в галузі оцінки технічного стану будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 5 травня 1997р. „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж”. Робота виконувалась у рамках наукової програми дослідних тем кафедри конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка „Розробка методів розрахунку, проектування і будівництва сталезалізобетонних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням на основі дослідження їх дійсної роботи”.

Мета роботи – запропонувати нові типи сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням, розробити рекомендації по розрахунку і проектуванню згинальних елементів на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень.

Задачі досліджень:

1. Розробити конструкції сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням.

2. Експериментально дослідити особливості роботи балок з використанням бетонів різних класів за міцністю та видів армування.

3. Виявити закономірність зміни напружено-деформованого стану перерізу балок при дії згинального моменту і поперечної сили та дослідити характер їх руйнування.

4. Розробити чисельні методи оцінки напружено-деформованого стану і методику розрахунку міцності досліджуваних конструктивних елементів.

5. Упровадити результати досліджень у практику проектування і будівництва.

6. Виявити техніко-економічну ефективність балок із зовнішнім листовим армуванням порівняно зі звичайними залізобетонними та сталевими конструкціями.

Об’єкт дослідження. Сталезалізобетонні балки із зовнішнім листовим армуванням.

Предмет дослідження. Напружено-деформований стан і міцність сталезалізобетонних балок при навантаженні.

Методи дослідження. Проведення експериментальних і теоретичних досліджень напружено-деформованого і граничного станів балок із зовнішнім армуванням. Теоретичні принципи досліджень граничного стану базуються на методі граничної рівноваги, розрахунок напружено-деформованого стану ведеться на ПК із використанням деформаційної моделі, враховуючи реальні діаграми деформування матеріалів. Для експериментального дослідження поставленої задачі випробовувалися зразки балок із різними варіантами армування та різними класами бетонів за міцністю на стиск.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Створені нові конструктивні форми сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням, які забезпечують сумісну роботу бетону і листової арматури.

2. Визначені експериментально впливи різних конструктивних схем, а також різних класів бетону за міцністю на деформативність та несучу здатність розглянутих елементів.

3. Результати експериментально-теоретичних досліджень напружено-деформованого стану сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням.

4. Розроблені рекомендації щодо розрахунку міцності згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням по нормальних і похилих перерізах.

5. Запропонована методика оцінювання напружено-деформованого стану згинальних елементів за нормальними перетинами з використанням деформаційної моделі.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Представлені пропозиції по методах розрахунку і конструюванню сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням.

2. Розроблені нові конструкції балок із зовнішнім листовим армуванням.

3. Запропоновані для впровадження в будівництво несучі конструкції, що працюють на згин.

На підставі отриманих експериментальних і теоретичних даних з’явилася можливість подальшого вдосконалення несучих конструкцій із забезпеченням їх ефективності й надійності. Запропонована методика розрахунку і конструювання застосована:

- при проектуванні сталезалізобетонних ригелів покриття із зовнішнім листовим армуванням прольотом 12 м на будівництві Чернігівського пивзаводу. Затверджено рішенням Держбуду України №29 від 10.06.2005 технічні умови „Ригель покриттів сталезалізобетонний” ТУ У В.2.6-28.1-14276579-002:2005;

- при проектуванні сталезалізобетонних ригелів перекриття із розширеною нижньою полицею прольотом 6 м на будівництві виробничих цехів Кременчуцької кондитерської фабрики та адміністративно-побутових корпусів Прилуцької тютюнової фабрики;

- при проектуванні сталезалізобетонних сходових маршів з незйомною опалубкою.

Розрахунок показав економічну ефективність сталезалізобетонних балок порівняно зі звичайними залізобетонними.

Особистий внесок здобувача

1. Конструкції експериментальних зразків сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням, в яких спільна робота сталевого листа і бетону забезпечується за рахунок бічного обтиснення бокових стінок, що виконані у формі опалубки.

2. Удосконалені методи армування згинальних сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням.

3. Результати й аналіз експериментальних досліджень сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням.

4. Методика оцінки напружено-деформованого стану і міцності нормальних і похилих перерізів згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням реалізованої на ПЕОМ із використанням деформаційної моделі, що базується на реальних діаграмах деформування матеріалів.

Апробація результатів роботи. Результати експериментально-теоретичних досліджень доповідались та обговорювались на VIII Українській науково-технічній конференції „Металеві конструкції: погляд в минуле і майбутнє” (м. Київ) у 2004 році; VI науково-технічній конференції „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (м. Кривий Ріг) у 2004 році; ІV Всеукраїнській науково-технічній конференції „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” у 2005 році в м. Суми; ІІ Міжнародній конференції „Ресурс і безпека експлуатації конструкцій будівель і споруд” (м. Харків) у 2005 році; 53-55-тій наукових конференціях ПолНТУ в 2003-2006 роках.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 7 робіт, в тому числі 4 із них у фахових збірниках та 4 авторських свідоцтва у співавторстві.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків і додатків. Роботу викладено на 195-х сторінках машинописного тексту. Крім основного тексту, дисертація містить 60 рисунків, 16 таблиць та 19 сторінок додатків. Список використаних джерел складається із 172 найменувань на 18 сторінках.

Автор висловлює щиру подяку науковим керівникам: д.т.н, професору Леонідові Івановичу Стороженку та д.т.н, доценту Олександрові Володимировичу Семку за значну допомогу, підтримку та поради у виконанні дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичну цінність та використання отриманих результатів.

У першому розділі дисертаційної роботи висвітлені особливості сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням, проведено аналіз їх розвитку, передумови розрахунку, сфери застосування та способи об’єднання листової арматури з бетоном з їх перевагами та недоліками.

Дослідженню комбінованих конструкцій, у тому числі й конструкцій із зовнішнім листовим армуванням, присвячені роботи Ф.Є. Клименка, Р.В. Воронкова, М.М. Стрілецького, Л.І. Стороженка, О.В. Семка, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіна, Л.М. Фомиці, В.І. Єфіменка та ін.

Доведено, що сталезалізобетонні конструкції із зовнішнім листовим армуванням мають безсумнівні переваги. При їх застосуванні вдається знизити витрати матеріалів за рахунок зменшення маси і розмірів поперечного перерізу, відмовитися в ряді випадків від використання опалубки та закладних деталей. На даний час конструкції із зовнішнім листовим армуванням зайняли одне із вагомих місць у будівництві. Але в таких конструкціях є необхідність забезпечення сумісної роботи сталі й бетону, що потребує допоміжних анкерних пристосувань, витримування товщини захисного шару бетону, а це призводить до перевитрат матеріалів і підвищення власної ваги конструкції. Для усунення цих недоліків та забезпечення надійної роботи конструкцій, запропоновані нові типи згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням. В основу запропонованих конструкцій поставлена задача вдосконалення їх поперечного перерізу, зміни технології виготовлення, спрощення і прискорення процесу монтажу конструкцій.

Сутність запропонованих конструкцій із зовнішнім армуванням полягає в конструктивному рішенні поперечного перерізу, що виконане із сталевих вертикальних листів і днища у формі опалубки, яка в процесі виготовлення заповнюється бетоном у вертикальному робочому положенні.

Особливістю роботи такого поперечного перерізу є можливість під час завантаження в стиснутій зоні очікувати об’ємно-напружений стан у бетоні, завдяки вертикальним листам, які перешкоджають вільним деформаціям бетону у поперечному напрямку. Таке конструктивне рішення дозволяє сприймати згинальні моменти та ідеально працювати на поперечну силу завдяки бетону, який знаходиться в складному напруженому стані, та вертикальним листам, що добре працюють на зріз.

Другий розділ присвячений конструюванню дослідних зразків-балок і технології їх виготовлення, визначенню фізико-механічних властивостей прийнятих матеріалів (бетону і сталі) та розробленні методики проведення випробувань. Для отримання експериментальних результатів запроектовані такі зразки:

- згинальні елементи прольотом 2 м із зовнішнім листовим армуванням та арматурою періодичного профілю – серія Б-І та серія Б-ІІ;

- згинальні елементи прольотом 2 м із зовнішнім листовим армуванням, заповнені трьома класами бетону за міцністю – серія Б-ІІІ;

- згинальні елементи прольотом 2 м із зовнішнім листовим армуванням, заповнені трьома класами бетону за міцністю, армовані поздовжньою арматурою періодичного профілю, що приварена до нижнього і бокових листів – серія Б-ІV.

Зразки поділяються на 4 серії, призначення яких відповідає вимогам для окремого вивчення різних факторів, від яких може залежати ступінь впливу згинального моменту і поперечної сили на міцність нормального і похилого перерізів. Загальна кількість експериментальних зразків-балок – 16.

Усі зразки мають прямокутний переріз розміром 100x200 мм і довжину 2 м (рис. 1). Виготовлялися зразки із двох вертикальних листів 1 (2,5x200x1980мм), які приварювалися до нижнього сталевого листа 2 (4x120x2000мм) ручним електродуговим зварюванням. Для забезпечення стійкості і жорсткості бокових листів при бетонуванні та сумісній роботі бетону і листової сталі під час завантаження, встановлювалися вертикальні діафрагми жорсткості (2,5x95x185мм) з кроком 400 мм, а також сталеві смужки 5 з кроком 100 мм для балок серії Б-І, Б-ІІІ (рис. 1а).

Зразки серій Б-ІІ, Б-ІV (рис. 1б) в розтягнутій і стиснутій зоні перерізу мають два арматурних стержні 3 (Ш16 мм), що приварювалися переривчастим двостороннім швом до сталевих листів. Стрижнева арматура у верхній зоні зварювалася між собою поперечною арматурою 4 (АІ Ш6мм) з кроком 100 мм.

Після виготовлення сталевої опалубки, зразки заповнювалися бетоном запланованого класу за міцністю. Використовувався бетон трьох складів промислового виробництва.

Рис. 1. Конструкція дослідних балок із зовнішнім листовим армуванням:

1, 2 – поздовжня листова арматура (tw =2,5 та 4 мм); 3 – стрижнева арматура періодичного профілю (Ш16мм); 4 – поперечна арматура (Ш6 мм); 5 – поперечні сталеві смужки

Для зразків серії Б-ІІІ-1, -4 і Б-ІV-1, -4 використовувався важкий бетон складу №1; для зразків серії Б-ІІІ-2, -5 і Б-ІV-2, -5 бетон складу №2; для зразків серії Б-ІІІ-3, - 6 та Б-ІV-3, -6 – бетон складу №3. Фізико-механічні характеристики прийнятих матеріалів для виготовлення зразків приведено в табл. 1.

Згідно з програмою експериментальних досліджень вивчалася зміна напружено-деформованого стану нормальних і похилих перерізів дослідних зразків. Випробування проводилось на дію короткочасних навантажень у лабораторії кафедри КМДіП Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка.

Таблиця 1

Фізико-механічні характеристики прийнятих матеріалів

Склад бетону | R,

МПа | Rbm,

МПа | Еb.10-3, МПа | нb | Тип арматури | Rуn,

МПа | Run,

МПа | Es.10-5, МПа

№ 1 | 21,2 | 11,7 | 18,7 | 0,23 | арм. Ш16 | 556,0 | 676,8 | 2,0

№ 2 | 55,0 | 30,0 | 26,5 | 0,22 | лист 4 | 246,7 | 306,8 | 2,1

№ 3 | 62,6 | 36,0 | 45,0 | 0,34 | лист 2,5 | 266,6 | 382,4 | 2,1

У третьому розділі дисертації подані результати проведення досліджень напружено-деформованого стану та міцності нормальних і похилих перерізів експериментальних зразків при дії навантаження, а також відзначалися особливості розподілу деформацій по висоті перерізів, довжині елементів та інтенсивність зростання прогинів. Відповідно до прийнятої методики проведення досліджень несучої здатності і деформативності елементів із зовнішнім листовим армуванням на дію згинального моменту, вимірювання деформацій проводилося в зоні чистого згину, що складала 40 см.

У результаті випробувань експериментальних зразків на згин отримані діаграми розподілу деформацій по висоті перерізу, довжині елемента та графіки прогинів, деякі з них наведені на рис. 2, 3, 4, 5.

При випробуванні зразків серії Б-ІІІ (рис. 2) на початкових стадіях навантаження проявлялися пружні властивості листової арматури й бетону до досягнення 80-85% від граничних навантажень. Деформації в стиснутій і розтягнутій зоні були приблизно одинакові між собою на всіх стадіях навантаження. При досягненні навантажень більше 85% від руйнуючого проявлялись пластичні деформації стиснутої зони листової сталі й пружно-пластичні деформації бетону в стиснутій зоні перерізу, за рахунок чого відбувалось руйнування бетону та відшарування листової сталі в зоні максимального згинального моменту.

У зразках серії Б-ІV, що були армовані стрижневою арматурою і забетоновані, спостерігались граничні деформації розтягу, які перевищували граничні деформації стиску, що пояснюється активною роботою бетону в стиснутій зоні і наявністю стиснутої арматури, яка сприймає на себе значні стискаючі напруження. Різниця між значеннями граничних деформацій зразків серій Б-ІV і Б-ІІІ пояснюється наявністю стрижневої арматури, що приварена до листів.

Із графіка поздовжніх деформацій (рис. 4) можна визначити, де утворювались тріщини в бетоні розтягнутої зони перерізу. До рівня навантажень 60-70% від руйнуючого деформації розвивались рівномірно і прямолінійно, що свідчить про сумісну роботу бетону з листовою арматурою.

При подальших навантаженнях спостерігається хвилеподібна зміна деформації (еs=150200.10-5), що свідчить про утворення тріщин у бетоні розтягнутої зони перерізу елемента.

Рис. 2. Залежність поздовжніх деформацій від величини згинального моменту в крайніх волокнах перерізу досліджуваних зразків

Рис. 3. Епюри розподілу деформацій по висоті нормального перерізу зразків

Про характер зміни прогинів сталезалізобетонних балок можна судити із рис. 5, де представлені експериментальні криві „навантаження-прогин”. Аналіз результатів по замірах прогинів зразків серії Б-ІІІ та Б-ІV дозволяє зробити висновок, що до навантаження 80-90% від руйнуючого спостерігається лінійна залежність. Із збільшенням зусилля елементи продовжували чинити опір, але при цьому інтенсивно зростали пластичні деформації.

Рис. 4. Розподіл поздовжніх деформацій по довжині нижнього сталевого листа

Рис. 5. Залежність прогинів від величини згинального моменту

У табл. 2 наведені значення навантажень, при яких було зафіксовано: навантаження, які відповідають деформаціям текучості сталі (Му); максимальне навантаження, що може витримати зразок (Мu); максимальне значення прогинів (fmax).

Таблиця 2

Несуча здатність згинальних елементів по нормальному перерізу

Шифр зразка | Згинальний момент, кН.м | Прогин fmax, см

Mу | Ми

Б-І-1– | 8,10 | 0,49––

Б-ІІ-1 | 30,64 | 38,50 | 0,91 | 1,26–

Б-ІІІ-1 | 30,50 | 32,71 | 0,97 | 1,07 | 4,04

Б-ІІІ-2 | 44,65 | 46,70 | 1,43 | 1,05 | 5,76

Б-ІІІ-3 | 46,95 | 50,03 | 1,55 | 1,06 | 6,17

Б-ІV-1 | 73,60 | 82,76 | 1,31 | 1,04 | 2,15

Б-ІV-2 | 79,30 | 89,00 | 1,43 | 1,20 | 2,31

Б-ІV-3 | 84,68 | 92,37 | 1,52 | 1,09 | 2,40

При проведенні експерименту визначався коефіцієнт ефективності m, який коливається в значних межах: від 2.1 до 6.1. Це вказує те, у скільки разів підвищується несуча здатність порожньої сталевої опалубки при заповненні її бетоном.

Дослідження несучої здатності похилого перерізу проводилося при плечі зрізу, що складало 1/5 прольоту балки. При випробуванні балок по похилому перетину не виявлено суттєвих порушень зв’язку листової арматури з бетонним ядром як в процесі завантаження, так і при повній втраті несучої здатності елементів. Ці обставини підтверджують, що бетон і листова арматура працюють сумісно. За руйнуюче приймалось таке навантаження, при якому переміщення почали активно зростати і не стабілізувалися під час витримки. Величини руйнуючих навантажень наведені в табл. 3.

Таблиця 3

Несуча здатність згинальних елементів по похилому перерізу

Шифр зразка | Зусилля зрізу

Fmax, кН | Прогин fmax, см

Б-І-2 | 31,4 | 0,46–

Б-ІІ-2 | 110,8 | 0,53–

Б-ІІІ-4 | 132,4 | 1,15 | 4,2

Б-ІІІ-5 | 166,7 | 1,17 | 5,3

Б-ІІІ-6 | 176,5 | 1,36 | 5,6

Б-ІV-4 | 255,0 | 0,91 | 2,3

Б-ІV-5 | 294,2 | 1,33 | 2,6

Б-ІV-6 | 313,8 | 1,54 | 2,8

У цілому можна сказати, що балки із зовнішнім листовим армуванням на дію поперечної сили працюють як одне монолітне ціле. Фізичне руйнування зразків без наявності стрижневої арматури (Б-ІІІ) відбувалося по нормальному перерізу від місцевої втрати стійкості стінки та подальшим руйнуванням бетону в стиснутій зоні. Сталезалізобетонні зразки зі стрижневою арматурою (Б-ІV) руйнувались унаслідок зминання бетону і листової сталі в зоні дії зосередженої сили. При використанні бетонів підвищеної міцності несуча здатність для сталезалізобетонних зразків без стрижневої арматури збільшується на 20-25%, а сталезалізобетонних зразків зі стрижневою арматурою – на 13-19%. Аналізуючи отримані дані, можна зробити висновок, що досліджені типи сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням із різними варіантами армування та класами бетону за міцністю є високоефективними конструкціями при роботі на дію поперечної сили. Найбільш ефективними виявилися балки серії Б-ІV, які в 2-2,5 рази перевищували несучу здатність балок серії Б-ІІІ.

У четвертому розділі наведена методика розрахунку несучої здатності і деформативності сталезалізобетонних згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням.

Розрахунок за міцністю нормальних перерізів згинальних елементів проводився відповідно до діючих норм. Оцінка міцності елементів для вказаних форм руйнування може бути представлена на основі сумісного рішення рівноваги поздовжніх сил залежно від схеми внутрішніх зусиль. У даному випадку розглядаються дві розрахункові схеми зусиль і напружень нормального перерізу (рис. 6).

Рис. 6. Схеми внутрішніх зусиль у нормальному перерізі:

а) – серії Б-ІІІ, б) – для серії Б-ІV

Висота стиснутої зони перерізу x визначається за формулою

(1)

де Ryf, Ryw – відповідні розрахункові опори (межа текучості) сталі нижнього і бокових листів; Af – площа поперечного перерізу нижнього листа; tw – товщина нижнього листа; Rb – призмова міцність бетону; b – ширина перерізу бетону балки; ho – робоча висота перерізу балки.

Міцність нормального перерізу визначається з умови УM=0 відносно центра ваги нижнього сталевого листа:

для випадку a)

; (2)

для випадку б)

, (3)

де Rsc – розрахунковий опір арматури при стиску; – площа стиснутої арматури; – захисний шар бетону.

Прогини сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням визначалися за загальними правилами будівельної механіки залежно від кривизни та деформацій зсуву по довжині. Повний прогин визначається за наближеною формулою, яка запропонована О.С. Залєсовим і В.В. Фігаровським.

. (4)

Другий член у квадратних дужках визначає вплив зсуву. Коефіцієнт K залежить від наявності тріщин, умов спирання, завантаження елемента і при відсутності як нормальних, так і похилих тріщин приймається рівним K=0,5/S; при нормальних або похилих тріщинах K=1,5/S. Умови спирання і завантаження в коефіцієнті K враховуються коефіцієнтом S.

Згідно з отриманими експериментальними даними при роботі сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням по похилих перерізах у граничному стані бокові вертикальні листи у напрямку від зосередженої сили до опори знаходилися в стадії текучості, а бетон руйнувався від сумісної дії стиску та зрізу. Таким чином, несуча здатність складалась із опору вертикальних листів та бетону і визначалася за формулою

(5)

де Qb – поперечне зусилля, яке сприймається бетоном. Для прямокутного перерізу з важкого бетону визначається за вказівками норм СНиП 2.03.01-84;

Qsw – поперечне зусилля, що сприймається вертикальними боковими листами, визначається за вказівками норм СНиП ІІ-23-81*.

Відповідно до діючих норм і зроблених відповідних перетворень з урахуванням роботи елементів розрахункова формула має вигляд

. (6)

Залежність (6) дає задовільні результати для зразків, які мають стрижневу арматуру з розбіжністю до 10%.

Для сталезалізобетонних балок без наявності стрижневої арматури поперечна сила, що сприймається перерізом, знаходиться також із виразу (5), але зусилля, яке сприймається вертикальними сталевими листами та бетоном, визначається із максимального значення дотичних напружень в перерізі елемента відносно нейтральної осі. Знаючи зусилля, що сприймаються вертикальними листами та бетоном, отримаємо формулу по визначенню поперечного зусилля, котре сприймається сталезалізобетонними зразками без стрижневої арматури

, (7)

де – значення дотичних напружень, які залежать від розмірів відсіку стінки, обмеженого діафрагмами жорсткості, що визначаються за СНиП ІІ-23-81*. Значення дотичних напружень повинно бути не більше значення розрахункового опору на зсув ;

– значення головних розтягуючих і головних стискаючих напружень у бетоні визначається за СНиП 2.03.01-84, але не більше .

При оцінюванні напружено-деформованого стану і міцності нормальних перерізів розроблена деформаційна модель розрахунку сталезалізобетонних конструкцій та програма її реалізації на ЕОМ. Використання такої моделі дозволяє об’єктивно враховувати фізичні особливості роботи матеріалів, повною мірою врахувати нелінійне деформування бетону відповідно до теорії С.І. Рогового, відмовитися від зайвих емпіричних залежностей і більш точно оцінити напружено-деформований стан сталезалізобетонних елементів на різних рівнях навантаження, включаючи граничний, а також уникнути переоцінки міцності бетону та необ’єктивної оцінки розрахункового опору стиснутої арматури. На основі досліджень запропонований математичний алгоритм і реалізована програма розрахунку із використанням програми „MathCAD Professional” за методами гіпотези плоских перерізів та послідовних наближень з урахуванням реальних діаграм деформування „” матеріалів, що відповідають роботі реальної сталезалізобетонної конструкції. Отримані результати мають хорошу збіжність з експериментальними даними.

Розділ п’ятий присвячений проектуванню і виявленню економічної ефективності конструкцій із зовнішнім листовим армуванням. В результаті експериментальних і теоретичних досліджень зроблений висновок, що згинальні конструкції із зовнішнім листовим армуванням можна використовувати в різних галузях промислового і цивільного будівництва та реконструкції. Розроблені нові сталезалізобетонні ригелі із максимальною заводською готовністю та мінімумом бетонування на будівельному майданчику. Такі види несучих конструкцій із зовнішнім листовим армуванням підтверджені патентами України №59933А, №59934А, № 59636А та №7770. Проекти сталезалізобетонних ригелів розроблялись переважно для будівель харчової та переробної промисловості, розміщених у стиснених умовах діючого підприємства, обмежених габаритами вже забудованого майданчика.

Ефективне застосування сталезалізобетонних ригелів зменшеної висоти в складі жорстких рам спонукало деякі заводи залізобетонних виробів замовити розрізні збірні ригелі покриття для каркасів швидкомонтованих будівель прольотом 12 м (рис. 7). Варіантне проектування таких ригелів із натурним випробуванням промислових зразків дозволило детально оцінити переваги та недоліки розрізних сталезалізобетонних балок з незйомною опалубкою. Такі види ригелів затверджені рішенням Держбуду України №29 від 10.06.2005р., прийняті технічні умови „Ригель покриттів сталезалізобетонний” ТУ У В.2.6-28.1-14276579-002:2005.

Рис. 7. 12-метровий сталезалізобетонний ригель покриття

Також запроектований, розроблений і впроваджений у будівництво збірний сталезалізобетонний ригель перекриття з розширеною полицею (рис. 8), який відрізняється тим, що він має розвинену нижню полицю, яка створює консоль для спирання збірних плит, що дає можливість заховати ригель у площину перекриття і створити гладку поверхню стелі, в тому числі при створенні збірно-монолітної залізобетонної конструкції. Перевага такого перекриття полягає в тому, що його можна застосовувати для будівель різної конфігурації в плані, поліпшити вентиляцію та освітленість приміщень унаслідок відсутності ребер, зменшити будівельний об’єм приміщень, що дає значну економію в опаленні, та понизити загальну висоту будівлі.

Такі види ригелів перекриття були застосовані при будівництві Кременчуцької кондитерської фабрики, адміністративно-побутових корпусів Прилуцької тютюнової фабрики. Потреба в застосуванні таких ригелів виникла у зв’язку з необхідністю скорочення термінів будівництва та зменшення робочої товщини залізобетонного перекриття під значні виробничі навантаження на об’єктах харчової промисловості. Висота ригеля обмежувалась висотою збірних ребристих залізобетонних панелей перекриття – 45 см, плюс 8-10 см монолітної армованої залізобетонної підлоги. З умов оптимального розміщення обладнання виконувались змінні прольоти ригелів – від 4,5 до 9 м.

Рис. 8. Сталезалізобетонний ригель перекриття із розширеною нижньою полицею

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У даній роботі отримані результати експериментальних і теоретичних досліджень напружено-деформованого стану і міцності згинальних сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням на дію згинального моменту та поперечної сили. Проведений аналіз отриманих результатів дає можливість зробити наступні висновки:

1. Запропоновані нові типи сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням порівняно з існуючими видами листового армування володіють рядом безсумнівних переваг: підвищена несуча здатність при дії згинального моменту та поперечної сили, можливість цілком відмовитися від використання опалубки та закладних деталей.

2. На всіх етапах завантаження згинальними моментами та поперечними силами в конструкціях із зовнішнім листовим армуванням забезпечується сумісна робота бетону і листової сталі при відповідному анкеруванні. Відшарування і втрата місцевої стійкості листів у стиснутій зоні перерізу спостерігалась тільки в момент руйнування.

3. Експериментальні дослідження згинальних елементів показали, що несуча здатність і жорсткість сталевої балкової коробчатої конструкції в результаті заповнення її бетоном збільшуються в 4-6 разів для зразків без стрижневої арматури та в 2-2,5 рази – для зразків зі стрижневою арматурою залежно від прийнятого класу бетону за міцністю. При цьому значно підвищується як місцева, так і загальна стійкість сталевої коробчатої конструкції.

4. На підставі експериментально і теоретично отриманої схеми руйнування розроблено методику оцінки міцності нормальних і похилих перерізів згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням за допомогою методу граничної рівноваги. Порівнюючи результати експериментальних і теоретичних значень, слід вважати, що метод за граничними станами недооцінює міцність нормальних перерізів у граничному стані.

5. Розроблена методика та програма розрахунку із застосуванням деформаційної моделі розв’язує проблему оцінки міцності та напружено-деформованого стану нормальних перерізів сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням при різних силових впливах, враховуючи при цьому пружнопластичні властивості бетону й арматури.

6. Виконані теоретичні дослідження дозволяють встановити, що стиснуті перерізи сталезалізобетонних елементів при неоднорідному деформуванні на стадії, що наближаються до граничного стану, можуть працювати в деякій закритичній області силового опору бетону. При цьому зусилля в бетоні і сталевій арматурі стиснутої зони в граничному стані перерізу в більшості випадків не досягають одночасно найбільших значень.

7. Проектування і техніко-економічне порівняння згинальних елементів дали можливість оцінити доцільність використання та підтвердили ефективність по несучій здатності й економічності запропонованих конструкцій. Результати досліджень упроваджені у виробництво при будівництві збірних ригелів покриття та перекриття з різними видами поперечного перерізу на промислових і цивільних об’єктах.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ

1. Стороженко Л.І., Семко О.В., Сколибог О.В. Дослідження збірного сталезалізобетонного ригеля із металевою опалубкою, що не знімається // Ресурсоекономічні матеріали та конструкції, будівлі та споруди. Вип. 9. – Рівне: УДУВГП. – 2003. – С. 330-336. (Проведені натурні дослідження збірного сталезалізобетонного ригеля покриття та представлені результати несучої здатності і деформативності).

2. Стороженко Л.І., Семко О.В., Сколибог О.В. Згинальні залізобетонні елементи, армовані сталевими листами // Будівельні конструкції. Вип. 59, кн.2 – К.: НДІБК, 2003.– С. 31-39. (Наведено відомості про нові види сталезалізобетонних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням та приведені результати експериментальних досліджень по несучій здатності і напружено-деформованого стану балок).

3. Сколибог О.В. Сталезалізобетонні балки із зовнішнім листовим армуванням // Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее // Сборник докладов VIII Украинской научно-технической конференции. – Часть 2. – К.: Изд-во „Сталь”, 2004. – С. 21-28.

4. Сколибог О.В. Експериментальні дослідження похилих перерізів сталезалізо-бетонних балок із зовнішнім листовим армуванням. Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація // Зб. наук. статей. – Вип. 6. – Кривий Ріг: КТУ, 2004. – С. 55-64.

5. Сколибог О.В. Розрахунок міцності і жорсткості нормальних перерізів згинальних елементів із листовим армуванням // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць. Вип. 62. – К.: НДІБК, 2005. – С. 304-307.

6. Сколибог О.В. Розрахунок згинальних сталезалізобетонних елементів деформаційним методом // Зб. наук. праць ПолтНТУ: Галузеве машинобудування, будівництво. – Вип. 65. – Полтава: ПолтНТУ. – 2005. – С. 153-159.

7. Стороженко Л.І., Сколибог О.В. Розрахунок міцності нормальних перерізів згинальних сталезалізобетонних елементів на основі нелінійної деформаційної моделі // Науковий вісник будівництва. Вип. 33. – Харків: ХДТУБА, 2005. – С. 291-293. (Розроблені розрахункові залежності та методика визначення несучої здатності, яка може бути застосована в програмних комплексах для розрахунку згинальних елементів із зовнішнім листовим армуванням).

8. Стороженко Л.І., Пічугін С.Ф., Семко О.В., Трусов Г.М, Сколибог О.В. Збірний сталезалізобетонний ригель покриття / Патент №59636А. Бюлетень №9 Е04В5/02 від 15.09.2003р. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

9. Стороженко Л.І., Пічугін С.Ф., Семко О.В., Трусов Г.М, Сколибог О.В. Збірний сталезалізобетонний ригель перекриття / Патент №59933А. Бюлетень №9 Е04В5/00 від 15.09.2003р. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

10. Стороженко Л.І., Семко О.В., Сколибог О.В. Збірний попередньо напружений сталезалізобетонний ригель перекриття із зовнішнім армуванням / Патент №59934А. Бюлетень №9 Е04В5/00 від 15.09.2003р. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

11. Бідний О.В., Стороженко Л.І., Семко О.В., Сколибог О.В. Сталезалізобетонний сходовий марш / Патент №7770 Е04G13/06. Бюлетень №7 від 15.07.2005р. (Сформульована сутність винаходу, оформлена відповідна документація).

АНОТАЦІЯ

Сколибог О.В. Сталезалізобетонні балки із зовнішнім листовим армуванням. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 „Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. – Полтава: ПолтНТУ. – 2006.

Дисертація присвячена розробці нових конструктивних рішень сталезалізобетонних балок із зовнішнім листовим армуванням, експериментально-теоретичним дослідженням, а також міцності і деформативності нормальних та похилих перерізів.

Проведено експериментальні дослідження конструкцій, що згинаються із зовнішнім листовим армуванням заповненими бетоном різних класів за міцністю та різними типами армування. Показані особливості роботи зразків під навантаженням. На підставі експериментально і теоретично отриманої схеми руйнування розроблена методика оцінки несучої здатності сталезалізобетонних балок за допомогою методу граничних станів. Розроблена математична модель і програма розрахунку на ЕОМ за методами гіпотези плоских перерізів з урахуванням реальних діаграм деформування матеріалів, які дозволяють визначити напружено-деформований стан сталезалізобетонних балкових конструкцій, що працюють на згин, на всіх стадіях завантаження. Запропоновано методи проектування нових сталезалізобетонних ригелів. Основні результати праці знайшли впровадження при проектуванні згинальних несучих конструкцій, що дозволило зменшити витрати матеріалів та прискорити термін будівництва. Теоретичні розрахунки підтверджені натурними випробуваннями нових типів ригелів.

Ключові слова: сталезалізобетонні конструкції, напружено-деформований стан, несуча здатність, ригель.

АННОТАЦИЯ

Сколибог А.В. Сталежелезобетонные балки с внешним листовым армированием. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.23.01 „Строительные конструкции, здания и сооружения”. – Полтава: ПолтНТУ. – 2006.

Диссертация посвящена вопросам исследования несущей способности и деформативности, а также разработки теоретических методов определения напряженно-деформированного состояния изгибаемых конструкций с внешним листовым армированием.

Введение содержит обоснование актуальности темы, научной новизны и практической ценности работы, сформулированы цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассматривается современное состояние исследований по данной теме, приведены особенности работы сталежелезобетонных балочных конструкций с внешним листовым армированием, области использования, преимущества и недостатки. Рассмотрены существующие методы расчета сталежелезобетонных элементов с листовым армированием и выполнен их анализ. Показано, что вопросы расчета и конструирования новых изгибаемых элементов с внешним армированием изучены недостаточно. Поэтому задачи настоящей роботы были сформулированы таким образом: необходимо провести экспериментальные исследования на прочность нормальных и наклонных сечений балок, выявить влияния различного способа и количества продольного армирования, а также классов бетона по прочности на несущую способность и деформативность; экспериментально исследовать характер разрушения, разработать предложения по расчету и проектированию сталежелезобетонных балок; провести внедрения несущих конструкций с внешним листовым армированием в строительство и выявить технико-экономическую эффективность.

Во второй главе описаны конструкции сталежелезобетонных балок, методика их изготовления и испытания. Согласно принятой методики проведения исследований несущей способности и деформативности балок пролетом 2 м с целью исключения усилий среза, измерения деформаций проводилось в зоне чистого изгиба, которая составляла 40 см. При исследовании деформаций в опорной зоне деформации измерялись по наклонным сечениям, при этом пролет среза составлял около 2h. В ходе проведения исследований напряженно-деформированного состояния нормальных и наклонных сечений экспериментальных образцов под действием нагрузки отмечались особенности распределения деформаций по высоте сечений и длине элементов, а также интенсивность роста прогибов.

Анализ результатов экспериментальных исследований сталежелезобетонных балочных конструкций и оценка прочности и деформативности изложены в третьей главе диссертационной работы. Выявлено, что несущая способность сталежелезобетонных балок с внешним листовым армированием и наличием стержневой арматуры больше на 50-60%, чем образцы без арматуры в зависимости от прочности бетона. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что исследованные типы балок с внешним листовым армированием с разными вариантами армирования и классами бетона за прочностью есть высокоэффективными конструкциями.

В четвертой главе предложена методика оценки несущей способности сталежелезобетонных балок с помощью метода предельных состояний. Разработанная математическая модель и программа расчета на ЭВМ за методами гипотезы плоских сечений с учетом реальных диаграмм деформирования материалов, которые разрешают определить напряженно-деформированное состояние нормальных сечений изгибающих элементов с внешним листовым армированием на всех этапах загрузки. Полученные результаты расчетов несущей способности и деформативности свидетельствуют о том, что предложенные методы расчета конструкций хорошо учитывают реальную работу элемента.

В пятой главе предложены методы проектирования новых сталежелезобетонных ригелей. Основные результаты работы нашли внедрения при проектировании сгибающих несущих конструкций, что разрешило уменьшить затраты материалов и ускорить срок строительства. Теоретические расчеты подтверждены натурным испытанием новых типов ригелей.

Ключевые слова: сталежелезобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, несущее способность, ригель.

ABSTRACT

Skolybog O. V. Steel reinforced beams with outer sheet reinforcement. – Manuscript.

Dissertation for receiving a degree of a candidate of technical sciences according to specialization 05.23.01 „Building construction, buildings and installations”. – Poltava: PoltNTU. – 2006.

The dissertation is devoted to developing new constructive decisions of steel reinforced beams with outer sheet reinforcement, experimental and theoretical investigations, and also strength and deformability of inclined cuts.

Experimental investigations have been conducted on bending constructions with outer sheet reinforcement, filled with concrete of different classes, determining strength and different types of reinforcement. The peculiarities of behavior of samples under stress have been shown. Based on experimentally and theoretically received destruction scheme, a carrying ability of steel reinforced beams grading method has been developed using the marginal balance principal. A mathematic model and a computer calculation program have been developed, based on the methods of plain cuts including real-life diagrams of material deformation, which allow to determine the stress-deformed condition of steel-reinforced beam constructions, that work in bending, on all stages of loading. New methods of designing of new steel reinforced girth rail have been proposed. The main results of this thesis have been implemented while designing the bending carrying constructions, which allowed to decrease the expenditure of materials and to make the construction process go faster. Theoretical calculations are confirmed by real-life tests