ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА
Туржанський Павло Володимирович
УДК 624.012.45:624.071.34
НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ТРУБОБЕТОННИХ
ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО ПРАЦЮЮТЬ НА РОЗТЯГ
05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Полтава 2007
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана на кафедрі конструкцій з металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник – | кандидат технічних наук, доцент
Пенц Володимир Федорович,
Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України,
доцент кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас
Офіційні опоненти – | доктор технічних наук, професор
Роговий Станіслав Іванович,
Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри архітектури та міського будівництва
кандидат технічних наук, доцент
Козарь Валентин Іванович,
Кременчуцький державний політехнічний університет Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри геодезії, землевпорядкування та кадастру
Провідна установа – | Придніпровська державна академія будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Дніпропетровськ.
Захист відбудеться „20” березня 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 „ 12 ” лютого 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 В.В. Чернявський
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. У теперішній час досліджена робота трубобетонних елементів, які працюють на стиск та згин у своїй основній частині, а дослідження, пов’язані з роботою трубобетону на розтяг, досконально не проводилися, тому що вважається не раціональним використання трубобетону в розтягнутих елементах. Однак у ряді випадків може бути виправданим використання розтягнутих елементів, що визначається перевагами трубобетону, а саме: захист внутрішньої поверхні труби від корозії, збільшення жорсткості елемента, уніфікація сортаменту при виготовленні конструкцій, спрощення обслуговування та ремонту при експлуатації тощо. Відсутність рекомендацій з розрахунку і проектування розтягнутих трубобетонних конструкцій у значній мірі затримує їх конвеєрне і промислове виготовлення та масове застосування в будівництві. Таким чином, задача з дослідження трубобетонних елементів, що працюють на розтяг, є актуальною.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає актуальним напрямкам науково-технічної політики України відповідно до постанови Кабінету міністрів України № 409 від 5 травня 1999 року „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд і інженерних мереж” та є складовою частиною науково-технічної програми РН 55.08 „Матеріалоємність”.
Виконана робота тематично пов’язана з дослідженнями кафедри конструкцій з металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка, що входить до загальної наукової програми „Дослідження напружено-деформованого стану та впровадження у виробництво трубобетонних конструкцій” та з програмними рішеннями I, II, III, IV-ої Всеукраїнських науково-технічних конференцій по бетону і залізобетону, які проходили в Києві, Львові та міжнародної асоціації АСБКК трубобетонних конструкцій, яка провела сім науково-технічних конференцій.
Мета і задачі дослідження. Розробити методи оцінювання напружено-деформованого стану та розрахунку несучої здатності центрально і позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів на основі експериментально-теоретичних досліджень.
Об’єкт дослідження – трубобетонні елементи, що працюють на розтяг.
Предмет дослідження – напружено-деформований стан трубобетонних елементів, елементів із сталевих труб і бетонних елементів, що працюють на розтяг, та трубобетонних елементів, що працюють на розтяг при вириванні арматурного стержня з бетонного ядра.
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 трубобетонних елементів, що працюють на розтяг.
Наукову новизну отриманих результатів складають:
- вперше експериментально досліджена робота трубобетонних елементів, що працюють на позацентровий розтяг при різних ексцентриситетах;
- розроблена методика оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних елементів, що працюють на розтяг, та алгоритм розрахунку на ЕОМ;
- обґрунтована методика визначення несучої здатності трубобетонних елементів, що працюють на розтяг при різних ексцентриситетах;
- установлено, що несуча здатність розтягнутих трубобетонних елементів залежить від ексцентриситету прикладання зусилля.
Практичне значення отриманих результатів:
- розроблена методика оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних елементів, що працюють на розтяг;
- обґрунтована методика визначення несучої здатності трубобетонних елементів, що працюють на розтяг при різних ексцентриситетах, яка буде використана при розробці нового нормативного документу України ДБН „Сталезалізобетонні конструкції”;
- на основі одержаних теоретичних залежностей створено алгоритм розрахунку на ЕОМ оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних елементів, що працюють на розтяг, який пропонується для використання проектно-конструкторськими організаціями;
- здійснено проектування та спорудження конструкцій з використанням розтягнутого трубобетону.
Особистий внесок полягає в наступному:
– запроектовано і виготовлено експериментальні зразки трубобетонних елементів, що працюють на розтяг;
– розроблена методика експериментальних досліджень розтягнутих трубобетонних елементів;
– експериментально досліджена несуча здатність центрально і позацентрово розтягнутих елементів із труб, бетону, трубобетону та при вириванні з бетонного ядра трубобетонного елементу арматурного стержня;
– отримано результати й проведено аналіз експериментальних досліджень трубобетонних елементів, що працюють на розтяг;
– запропонована методика оцінювання напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів;
– розроблено алгоритм оцінювання напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів за різних рівнів навантаження;
- запропонована методика визначення несучої здатності трубобетонних елементів, що працюють на розтяг;
- проведено порівняльний аналіз теоретичних і експериментальних результатів досліджень, який засвідчує достовірність отриманих даних;
– запроектовано конструкції з трубобетонних елементів, що працюють на розтяг.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідалися, обговорювалися й отримали схвальні відгуки на VIII Українській науково-технічній конференції „Металеві конструкції: погляд у минуле і майбутнє" (м. Київ) у 2004 році, на VI і VII науково-технічних конференціях „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація" (м. Кривий Ріг) у 2004, 2006 роках, на IV Всеукраїнській науково-технічній конференції із залізобетонних конструкцій у 2005 році в м. Суми, на 54 - 58 наукових конференціях Полтавського НТУ в 2002 - 2006 роках.
Публікації. Основні результати дисертації викладені в шести наукових працях, опублікованих у фахових виданнях.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків. Зміст викладено на 122-х сторінках. Окрім основного тексту, робота містить 54 рисунки, 11 таблиць, додаток та список літературних джерел із 193-х найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, наукову новизну, практичну цінність та використання отриманих результатів.
У першому розділі дисертації розглянуті основні поняття про трубобетонні конструкції, їх переваги й недоліки, сферу застосування, дослідження в галузі трубобетону та методи розрахунку.
У теперішній час трубобетонні конструкції, що являють собою трубу-оболонку, заповнену бетоном для їх сумісної роботи, отримали широке розповсюдження в усьому світі. Трубобетон використовується в різних сферах будівництва. Проведеними дослідами встановлено, що трубобетонні 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 розробки теорій розрахунку трубобетонних конструкцій займалися О.Я. Берг, О.О. Гвоздев, Г.А. Генієв, О.А. Долженко, В.І. Єфименко, О.І. Кікін, Ф.Є. Клименко, К.Ф. Клименко, Л.К. Лукша, В.Ф. Маренін, Г.П. Передерій, В.А. Росновский, Р.С. Санжаровский, Л.І. Стороженко, В.М. Сурдін, В.А.Трулль та інші дослідники (зокрема в Полтавському НТУ
В.Ф. Пенц, Д.А. Єрмоленко, О.В. Семко, О.П. Воскобійник, С.В. Шкіренко, В.М. Тимошенко).
К.Ф. Клименком розроблені та досліджені трубозалізобетонні елементи, в основі яких є заповнені бетоном сталеві труби, армовані високоміцною звичайною та попередньо напруженою стержневою арматурою.
У зв’язку з розширенням сфери застосування трубобетону як економічної і прогресивної конструкції, виникає необхідність дослідження напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів.
Другий розділ присвячений методиці проведення експерименту та дослідженню фізико-механічних властивостей матеріалів конструкцій.
При складанні програми експерименту враховувалось, що несуча здатність і напружено-деформований стан елемента залежать від конструктивного вирішення, ексцентриситету прикладення навантаження і фізико-механічних властивостей вихідних матеріалів. Для експериментальних досліджень використані короткі елементи висотою 400 мм із підсиленням обох кінців сталевої труби ребрами жорсткості у вигляді косинок з листового металу, які з’єднують зовнішню площину труби і зварених у тавр двох рівнополичних кутиків, приварених до торців труби зразка.
В якості головних при проведенні досліджень прийняті зразки зі сталевої труби діаметром 102 мм з товщиною стінки 4 мм, заповненою важким бетоном. Для оцінки впливу масштабного фактора на напружено-деформований стан елемента випробувалися також зразки з труб діаметрами 108 мм із товщинами стінки 5 і 3,5 мм, 89 мм з товщиною стінки 3,8 мм, заповнених важким бетоном класів за міцністю В15, В20, В25. Для проведення експерименту були запроектовані зразки із заповненням труб бетоном і порожніх сталевих труб для проведення випробувань на центральний та позацентровий розтяг; бетонні, які мають вигляд циліндра з діаметром і довжиною бетонного ядра головних зразків зі стержнями з арматури, забетонованими у зразки з обох торців. Характеристика дослідних зразків наведена в таблиці 1.
У маркуванні серії зразків: ТР – зразки з порожніх сталевих труб; ТБ – трубобетонні зразки;
Б – бетонний зразок: перша цифра показує діаметр і товщину стінки труби зразка (1 – Ш1085;
2 – Ш1083,5; 3 – Ш1024; 4 – Ш893,8), друга – клас бетону за міцністю (1 – В15, 2 – В20, 3 – В25), третя – спосіб передачі навантаження. Конструкції зразків наведені на рисунку 1.
Механічні характеристики металу отримані в результаті випробування порожніх труб на стиск і вирізаних із труб смужок на розтяг відповідно до ГОСТ 1497-84. Визначення механічних властивостей стержневої та стрічкової арматури проводилось на розривній машині УВМ-100 з одночасним записом діаграми розтягу.
Таблиця 1
Характеристика та несуча здатність дослідних зразків
№
п/п | Шифр серії зразка | Характеристика зразка | Ексцентриситет, мм | Несуча здатність, кН
Труба | Бетон |
Експериментальна
Ne |
Теоретична
Nт |
Відхилення
?N, %
Діаметр зовнішній, мм | Діаметр внутрішній, мм | , МПа
1 | Б-1 | - | 94 | 12,2 | - | 7,8 | 8 | -2,3
2 | Б-2 | 14,3 | - | 9,5 | 10 | -2,3
3 | Б-3 | 16,4 | - | 11,0 | 11,3 | -2,9
4 | ТР-1 | 108 | 98 | - | - | 564 | 571 | -1,3
5 | ТР-1 | 50 | 204 | 207 | -1,5
6 | ТР-2 | 101 | - | - | 400 | 411 | -2,8
7 | ТР-2 | 50 | 144 | 148 | -2,7
8 | ТР-3 | 102 | 94 | - | - | 430 | 440 | -2,5
9 | ТР-3 | 25 | 221 | 225 | -1,9
10 | ТР-3 | 50 | 149 | 155 | -3,7
11 | ТР-4 | 89 | 81,4 | - | - | 355 | 371 | -4,6
12 | ТР-4 | 50 | 112 | 116 | -3,9
13 | ТБ-11 | 108 | 98 | 12,2 | - | 621 | 635 | -2,3
14 | ТБ-11 | 50 | 224 | 230 | -2,9
15 | ТБ-21 | 101 | 12,2 | - | 441 | 465 | -5,5
16 | ТБ-21 | 50 | 158 | 168 | -6,3
17 | ТБ-31 | 102 | 94 | 12,2 | - | 473 | 493 | -4,2
18 | ТБ-31 | 25 | 243 | 252 | -3,8
19 | ТБ-31 | 50 | 164 | 173 | -5,6
20 | ТБ-32 | 102 | 94 | 14,3 | - | 473 | 493 | -4,2
21 | ТБ-32 | 50 | 164 | 175 | -6,6
22 | ТБ-33 | 102 | 94 | 16,4 | - | 473 | 483 | -2,2
23 | ТБ-33 | 50 | 164 | 170 | -3,6
24 | ТБ-41 | 89 | 81,4 | 12,2 | - | 390 | 413 | -5,8
25 | ТБ-41 | 50 | 124 | 130 | -4,8
26 | ТБ-311 | 102 | 94 | 12,2 | - | 120 | - | -
27 | ТБ-321 | 14,3 | - | 160 | - | -
28 | ТБ-331 | 16,4 | - | 170 | - | -
Середнє, % | 1,036
Середнє квадратичне відхилення, % | 2,55
Коефіцієнт варіації, % | 2,4
За результатами випробувань сталь, із якої виготовлені труби всіх діаметрів, відповідає ВСт3сп5-2 уy=350 МПа. Для визначення фізико-механічних властивостей бетонів, що були прийняті для досліджень, виготовлялися бетонні куби та призми. Випробування зразків проводилось на пресі ПММ-500.
Рис.1. Конструкції експериментальних зразків із розміщенням електротензорезисторів:
а, б - серія ТБ-11, 21,31,32,33,41; в - серія Б-1, 2, 3; г - серія ТБ-311, 321, 331;
1-сталева труба; 2- зварені у тавр два кутика; 3, 4- сталеві ребра жорсткості;
5- арматурний стержень; 6- важкий бетон; 7- монтажні петлі
Поздовжні і поперечні деформації вимірювались за допомогою електротензорезисторів. Для тензометричних випробувань використовувався автоматичний вимірювач деформацій АВД-5. Крім того, поздовжні деформації вимірювались за допомогою індикаторів годинникового типу. Зразки серії Б доводились до руйнування, а ТР і ТБ – до межі текучості металу труби.
Третій розділ дисертаційної роботи присвячений аналізу результатів експериментальних досліджень трубобетонних елементів. При випробуванні експериментальні зразки, які мали різні відсотки армування, класи бетону, ексцентриситет прикладення навантаження, відрізнялися за несучою здатністю, яка наведена в таблиці. Для оцінювання ефективності сумісної роботи матеріалів у трубобетонних елементах розраховувалися два коефіцієнти ефективності з урахуванням об'ємного напруженого стану.
1. Коефіцієнт ефективності роботи бетонного ядра в трубі:
(1)
де – міцність бетону на розтяг, не підсиленого обоймою;
– напруження в бетоні при досягненні зразком граничного стану за несучою здатністю.
Визначення в умовах випробування трубобетонного розтягнутого елемента проводиться за умови, що відома несуча здатність порожньої труби, за формулою:
(2)
де Nbt – несуча здатність бетонного ядра трубобетонного елемента;
Ab – площа поперечного перерізу бетонного ядра.
2. Коефіцієнт ефективності елемента в цілому:
(3)
де – несуча здатність трубобетонного елемента;
– несуча здатність труби-оболонки трубобетонного елемента.
З аналізу значень коефіцієнтів =1,1 і =0,96 встановлено, що трубобетонні елементи мають несучу здатність у 1,1 рази вищу, ніж елементи зі сталевих труб, не заповнених бетоном. У процесі дослідження трубобетонних зразків на позацентровий розтяг встановлено залежність несучої здатності зразків від зміни ексцентриситету прикладання до них зусилля розтягу.
У ході випробування зразків із різними геометричними характеристиками на центральний розтяг встановлено, що поздовжні і поперечні деформації рівномірно змінювалися при збільшенні навантаження, характер їх розподілу є однаковим (рис. 2).
Рис. 2. Графік росту поперечних і поздовжніх деформацій у процесі навантаження на центральний розтяг у зразках серій ТБ-11, 21, 31, 41
Значення всіх поздовжніх деформацій є додатними, а всіх поперечних – від’ємними, і їх максимальні значення та значення напружень при досягненні зразками межі текучості відповідно становили епоз=210•10-5, уs=428 МПа і епоп=42•10-5, уs=86 МПа для зразків серій ТБ-11, 21, 31, 41.
При випробуванні базового зразка серії ТБ-31 на позацентровий розтяг з прикладанням зусилля з ексцентриситетом у 25 мм деформації та напруження в найбільш розтягнутій точці складають епоз=210•10-5, уs=428 МПа і епоп=42•10-5, уs=86 МПа, а в найменш розтягнутій – епоз=6•10-5,
уs=12 МПа і епоп=1•10-5, уs=2 МПа (рис.3).
Рис. 3. Графік росту поперечних і поздовжніх деформацій у процесі навантаження на позацентровий розтяг у зразках серії ТБ-31 з ексцентриситетом 25 мм
Відповідно при випробуванні зразків серій ТБ-11, ТБ-21, ТБ-31, ТБ-41 на позацентровий розтяг з прикладанням зусилля з ексцентриситетом у 50 мм деформації та напруження в найбільш розтягнутій точці складають епоз=210•10-5, уs=428 МПа і епоп=42•10-5, уs=86 МПа, а в найбільш стиснутій – епоз=60•10-5, уs=122 МПа і епоп=16•10-5, уs=33 МПа (рис. 4). Це свідчить про те, що в трубобетонних зразках при роботі на позацентровий розтяг з ексцентриситетом у 50 мм зі сторони прикладання зусилля виникають напруження розтягу, а з протилежної сторони – стиску, і зразки досягли межі текучості за рахунок максимального значення поздовжніх деформацій розтягу, а саме при епоз=210•10-5.
При обробці експериментальних даних визначено розміщення нейтральної лінії, яка розділяє зразки на розтягнуту та стиснуту зони. Відносне значення стиснутої зони до діаметра труби x/d для зразків серій ТБ-11, ТБ-21, ТБ-31, ТБ-41 відповідно становило 0,217; 0,221; 0,234; 0,268. Ознак нейтральної лінії при випробуванні зразків серії ТБ-31 на позацентровий розтяг з ексцентриситетом у 25 мм не спостерігалося. Це означає, що зразки уздовж всієї довжини працюють на розтяг, а на всьому своєму поперечному перерізі – на стиск, хоча і не рівномірно (рис. 5).
Рис. 4. Графік росту поперечних і поздовжніх деформацій у процесі навантаження на позацентровий розтяг у зразках серії ТБ-31 з ексцентриситетом 50 мм
Рис. 5. Епюри поздовжніх та поперечних деформацій у процесі навантаження на позацентровий розтяг у зразках серій:
а, в – ТБ-31 е=25 мм; б, г – ТБ-31 е=50 мм
Після випробування в трубобетонних зразках серії ТБ-31 була вирізана частина труби-оболонки з метою огляду стану бетонного ядра та встановлено утворення рівномірно розташованих на всій довжині зразків поперечних тріщин, відстань між якими знаходиться в межах 22 – 27 мм.
У ході випробування зразків серії ТБ-311, 321, 331 встановлено сумісну роботу трубобетону й арматури в усіх зразках до завантаження 50 кН з поздовжніми і поперечними деформаціями, які мають прямолінійний характер, а саме: в трубобетоні е=5•10-5, арматурі е=7•10-5. Потім, зі збільшенням навантаження почали рости поздовжні деформації в арматурі до втрати її несучої здатності і зразків в цілому, так при N=120 кН – е=(185-219)•10-5 у ТБ-311, N=160 кН –
е =(170-220)•10-5 у ТБ-321 та N=170 кН – е=(195-210)•10-5 у ТБ-331, а деформації в трубобетоні були в межах е=(20-30)•10-5. Характер графіків має криволінійний вигляд (рис. 6).
Рис. 6. Графік росту поперечних і поздовжніх деформацій при вириванні арматури з бетонного ядра у зразках серії ТБ-311
Розмір і знак деформацій, які виникли у трубобетоні, показують, що зразок працює на розтяг у всіх напрямках. Втрата несучої здатності досягалась у результаті розриву арматурного стержня, який, при цьому, не вирвався з бетонного ядра зразка і пройшов усі стадії роботи: пружної, текучості, післятекучості та руйнування.
У четвертому розділі розглядаються: оцінювання напружено-деформованого стану трубобетонних елементів у пружній і пластичній стадіях, методи розрахунку несучої здатності та результати впровадження їх у виробництво. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що при розтягу в трубобетоні виникають дві характерні стадії напружено-деформованого стану:
1. При малих навантаженнях напруження в бетоні та металі мають невеликі значення і пружні деформації. Зі збільшенням навантаження напруження в бетоні наближаються до межі міцності при розтягу . При подальшому збільшенні навантаження в бетоні утворюються тріщини, перпендикулярні до лінії дії навантаження.
2. У місцях, де утворились тріщини, зусилля сприймаються оболонкою. На ділянках між тріщинами бетон продовжує працювати на розтяг. Від країв тріщин напруження в бетоні збільшуються, а в оболонці зменшуються.
Для вирішення поставленої задачі за допомогою математичної теорії пружності отримано рішення для пружної стадії роботи трубобетонного розтягнутого елемента. Для розрахунку з урахуванням пластичних деформацій використано метод змінних модулів.
На стадії І задача полягає у тому, щоб визначати напруження та деформації у кожному з матеріалів при складному напруженому стані бетону та сталі (рис. 7).
Рис. 7. Розрахункова схема роботи трубобетонного зразка в стадії І
Враховуючи, що поперечний переріз має геометричну симетрію, рішення задачі краще вести за допомогою механізму теорії пружності у полярних координатах. Труба-оболонка працює в умовах двохосьового напруженого стану, а бетон, знаходячись в умовах об'ємного стиснення, перебуває в трьохосьовому напруженому стані, тоді маємо десять невідомих, з яких п’ять деформації (,,,,) і п’ять – напруження (,,,,).
Припущення, що на всіх етапах завантаження внутрішня поверхня труби-оболонки та бетонне ядро „склеєні” і не втрачають зчеплення до руйнування, дає змогу використати рівняння сумісності деформацій:
; ; (4)
Використовуємо також рівняння рівноваги відносно трьох осей:
; ; . (5)
За загальним законом Гука, з урахуванням рівнянь сумісності деформацій (4), знаходимо деформації, що виникають у складових частинах поперечного перерізу
; (6)
; (7)
(8)
де , – напруження у трубі-оболонці та бетоні по осі Z;
, – тангенціальні напруження у трубі-оболонці й бетоні;
– радіальні напруження у бетоні;
, – деформації у трубі-оболонці вздовж осей Z та ;
, , – деформації вздовж осей Z, та r у бетоні;
,– модулі пружності бетону та сталі;
,– коефіцієнти поперечних деформацій бетону та сталі.
Для обчислення використано ПЕОМ.
Знайдемо тангенціальні напруження, що виникають у трубі-оболонці за формулою:
. (9)
Для знаходження радіальних напружень у бетоні застосуємо вирішення задачі Ляме
. (10)
Тангенціальне напруження у бетоні знаходимо за формулою:
(11)
На стадії ІІ розглянемо поперечний переріз зразка з тими самими параметрами, що і в стадії І, тільки з тріщинами (рис. 8). Тріщини виникають з означеною послідовністю і в кінцевій стадії розташовуються приблизно рівномірно по всьому зразку. Перші тріщини внаслідок неоднорідності бетону по всій довжині елемента з’являються в найбільш слабкому місці. При цьому напружений стан бетону й оболонки біля тріщини змінюється. Після виникнення тріщин у бетоні опір розтягу оказують: у перерізі з тріщиною – тільки оболонка (переріз І – І), а на ділянках між тріщинами lт – і бетон, і оболонка трубобетонного елемента (переріз ІІ – ІІ). На ділянках між тріщинами зчеплення між бетоном і оболонкою не порушуються. По мірі віддалення від меж тріщини напруження розтягу в бетоні збільшуються до Rbt. Бетон, знаходячись в умовах об'ємного стиснення, перебуває в трьохосьовому напруженому стані. В оболонці виникає зворотна дія: в перерізі з тріщиною напруження оболонки має максимальне значення, а по мірі віддалення від меж тріщини воно зменшується.
Різниця зусиль в оболонці в перерізі з тріщиною та в перерізі між тріщинами врівноважується на довжині lт силами зчеплення між оболонкою і бетоном :
(12)
де – коефіцієнт повноти епюри зчеплення;–
периметр перерізу оболонки труби;–
радіус бетонного ядра елемента;–
максимальне напруження зчеплення оболонки труби з бетоном.
За загальним законом Гука, з урахуванням рівнянь сумісності деформацій (4), знаходимо деформації, що виникають у складових частинах поперечного перерізу з тріщинами:
(13)
(14)
(15)
де , – деформації, що виникають під дією навантаження у трубі-оболонці вздовж осей Z та ;
,, – деформації вздовж осі Z, и, r у бетоні.
Рис. 8. Розрахункова схема роботи трубобетонного зразка на розтяг у стадії ІІ
Напруження оболонки в перерізі між тріщинами визначаємо виходячи з умови, що бетон, знаходячись в умовах об'ємного стиснення, перебуває в трьохосьовому напруженому стані :
(16)
Для знаходження радіальних напружень у бетоні застосуємо вирішення задачі Ляме і отримаємо
(17)
Тангенціальне напруження у бетоні знаходимо за формулою:
. (18)
При розгляді напружено-деформованого стану позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів приймаємо, що він складається з суми напружень центрально розтягнутих трубобетонних елементів та таких, що працюють на чистий згин. Отже, напруження і деформації при позацентровому розтязі трубобетонних елементів визначаємо наступним чином:
Напруження в стиснутій зоні труби визначається за формулою:
(27)
де – товщина стінки труби;–
внутрішній радіус труби;
;
;–
характеризує положення нейтральної лінії.
Задача для елемента, що працює за межами пружності, полягає в тому, що постійні пружності замінюються на змінні параметри пружності. Так, замість постійного модуля пружності , використовується змінний модуль . Замість постійного початкового коефіцієнта поперечної деформації використовується , що змінюється від до = 0,5 залежно від рівня завантаження. Методика визначення змінних „параметрів пружності” Еj та , де j - метал або бетон, здійснюється із застосуванням методу ітерацій.
За викладеною методикою визначення напружень та деформацій у трубобетонному елементі складено алгоритм розрахунку розтягнутих трубобетонних елементів на ПЕОМ мовою VBA в середовищі MS EXCEL.
При розрахунку центрально і позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів за граничними зусиллями приймається те, що несуча здатність елемента складається з несучої здатності труби-оболонки.
Формула для розрахунку несучої здатності центрально розтягнутих трубобетонних конструкцій має вигляд:
(28)
де – площа поперечного перерізу труби;–
розрахунковий опір сталі труби;–
коефіцієнт умов роботи сталі труби; –
коефіцієнт впливу бетону на міцність трубобетонного перерізу, значення якого в граничному стані дорівнює 1,1.
Відповідно для розрахунку несучої здатності позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів формула матиме вигляд:
(29)
де – величина ексцентриситету;–
момент опору труби.
Із порівняння експериментальних та теоретичних значень несучої здатності випробуваних зразків (таблиця 1) виходить, що вони співпадають задовільно.
Дослідження розтягнутих трубобетонних елементів супроводжувалося проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво. Згідно завдання Виробничого управління житлово-комунального господарства м. Хорол була запроектована підпірна конструкція для водонапірної вежі з резервуаром об’ємом 250 м3, яка складається з трубобетонних елементів. У звичайних умовах експлуатації при повністю заповненому водою резервуарі трубобетонні елементи вежі сприймають зусилля стиску, а з порожнім резервуаром під дією вітрового навантаження підпірна конструкція працює на позацентровий розтяг.
Загальні висновки
1. Отримані нові результати експериментального дослідження несучої здатності та деформативності центрально і позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів залежно від їх геометричних, фізико-механічних характеристик, відсотку армування і ексцентриситету прикладання зусилля розтягу.
2. Результати проведених досліджень вказують на сумісну роботу сталевої труби і бетону в пружній та пластичній стадіях, що істотно важливо для нормальної експлуатації несучих конструкцій при їх роботі на розтяг. Це необхідно враховувати при проектуванні елементів такого типу.
3. Деформації трубобетонних елементів загалом мають однаковий характер розвитку для всіх випробуваних зразків, а їх інтенсивність залежить від геометричних, фізико-механічних характеристик матеріалів та ексцентриситету прикладання зусилля розтягу.
4. Отримані формули оцінювання напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів, котрі дають можливість визначити напруження і деформації в сталі і бетоні на кожному етапі прикладання зусилля.
5. Встановлено, що після виникнення поперечних тріщин у бетонному ядрі його частки між тріщинами, знаходячись в умовах об'ємного бокового стиснення, перебувають у трьохосьовому напруженому стані і цим стримують ріст деформацій у трубі в усіх напрямках та процес її руйнування.
6. Розроблено алгоритм оцінювання напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів за допомогою ПЕОМ та отримано формули для визначення несучої здатності розтягнутих трубобетонних елементів. Встановлено, що результати розрахунків несучої здатності та деформацій задовільно збігаються з дослідними даними.
7. Впровадження результатів дослідження у виробництво показують, що з трубобетону можна проектувати несучі конструкції будівель, що працюють на розтяг, та розраховувати їх за отриманими в дисертації методами.
ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ
ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ
1. Туржанський П.В. Особливості роботи трубобетонних елементів на позацентровий розтяг // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Полтава: ПолтНТУ, 2003. – Вип. 11. – С. 80 – 83.
2. Пенц В.Ф., Туржанський П.В. Робота трубобетонних елементів на позацентровий розтяг // Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація: Зб. наук. ст. – Кривий Ріг: КТУ, 2004. – Вип. 6. – С. 119–122. (Особистий внесок: Розроблена методика експерименту, виготовлені та представлені для випробування зразки на позацентровий розтяг).
3. Пенц В.Ф., Туржанський П.В. Експериментальні дослідження трубобетону при вириванні з його бетонного ядра арматурного стрижня// 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. 229–233. (Особистий внесок: Розроблена методика експерименту, виготовлені та представлені для випробування зразки. Проведено експериментальні дослідження, отримано їх результати і описано характер розвитку деформацій в арматурних стержнях та трубобетонних елементах при роботі на розтяг).
4. Пенц В.Ф., Туржанський П.В. Експериментальні дослідження трубобетону при його роботі на позацентровий розтяг // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). – Полтава: ПолтНТУ, 2006. – Вип. 17.– С. 83–91. (Особистий внесок: Проведено експериментальні дослідження, отримано їх результати і описано характер розвитку деформацій у трубобетонних елементах при роботі на позацентровий розтяг з різними ексцентриситетами).
5. Пенц В.Ф., Туржанський П.В. Експериментальні дослідження бетонного ядра трубобетонного елемента при його роботі на розтяг // Збірник наукових праць „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”/ Національний університет водного господарства та природокористування. – Вип.13. Рівне, 2005 – С. 237–241 (Особистий внесок: Розроблена методика експерименту, виготовлені та представлені для випробування зразки. Проведено експериментальні дослідження, отримано їх результати і описано характер розвитку деформацій у бетонному ядрі трубобетонних елементів при роботі на розтяг).
6. Пенц В.Ф., Єрмоленко Д.А., Туржанський П.В. Напружено-деформований стан трубобетонних елементів, що працюють на центральний розтяг // Міжвідомчий науково-технічний збірник наукових праць (будівництво) / Державний науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Мінбуду України. – Київ: НДІБК, 2006. – Вип. 65. – С. 228–235. (Особистий внесок: Отримані теоретичні залежності, які дозволяють визначити значення напружень і деформацій в оболонці та бетонному ядрі центрально-розтягнутого трубобетонного елемента в пружній стадії з урахуванням об’ємно-напруженого стану при зростаючому навантаженні).
АНОТАЦІЯ
Туржанський П.В. Напружено-деформований стан трубобетонних елементів, що працюють на розтяг. – 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, Полтава, 2007.
У дисертації розглядаються експериментальні та теоретичні дослідження несучої здатності та визначення напружено-деформованого стану розтягнутих трубобетонних елементів. Проведений аналіз експериментальних даних та встановлено особливості роботи трубобетонних конструкцій на центральний та позацентровий розтяг коротких зразків з труб, трубобетону і бетону, з різними ексцентриситетами. Розроблені рекомендації щодо визначення несучої здатності центрально та позацентрово розтягнутих трубобетонних елементів. Розроблена методика оцінки напружено-деформованого стану таких конструкцій. Проведене порівняння ефективності роботи досліджуваних конструкцій. Дослідження супроводжувалися проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво, що дозволило зменшити витрати матеріалів і вартість будівництва.
Ключові слова: трубобетонні конструкції, центральний і позацентровий розтяг, напружено-деформований стан, несуча здатність.
АННОТАЦИЯ
Туржанский П.В. Напряженно-деформированное состояние трубобетонных элементов, которые работают на растяжение. – 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, Полтава, 2006.
В первом разделе диссертации рассмотрены основные понятия о трубобетонных конструкциях, их преимуществах и недостатках, сфере применения, исследованиях в области трубобетона и методах расчета. В настоящее время трубобетонные конструкции, которые представляют собой трубу-оболочку, заполненную бетоном для их совместной работы, получили широкое распространение во всем мире. Трубобетон используется в разных сферах строительства. Проведенными опытами установлено, что трубобетонные конструкции надежные в эксплуатации, об этом свидетельствует то, что в предельном состоянии они не теряют несущую способность мгновенно, как железобетонные, а еще длительное время способны выдерживать значительные нагрузки.
В связи с расширением сферы применения трубобетона, как экономичной и прогрессивной конструкции, возникает необходимость исследования напряженно-деформированного состояния растянутых трубобетонних элементов.
Второй раздел посвящен программе экспериментальных исследований, методике проведения эксперимента и исследованию физико-механических свойств материалов конструкции.
При составлении программы эксперимента учитывалось, что несущая способность и напряженно-деформированное состояние элемента зависят от конструктивного решения, эксцентриситета приложения нагрузки и физико-механических свойств исходных материалов. Для экспериментальных исследований использованы короткие элементы высотой 400 мм с усилением обоих концов стальной трубы ребрами жесткости в виде косынок из листового металла, которые соединяют внешнюю плоскость трубы и сваренных у тавр двух равнополочных уголков, приваренных к торцам трубы образца.
В качестве основных, при проведении исследований, приняты образцы из стальной трубы диаметром 102 мм с толщиной стенки 4 мм, заполненные тяжелым бетоном. Для оценки влияния масштабного фактора на напряженно-деформированное состояние элемента испытывались также образцы из труб диаметрами 108 мм толщинами стенки 5 и 3,5 мм, 89 мм с толщиной стенки 3,8 мм, заполненные тяжелым бетоном классов прочности В15, В20, В25. Для проведения эксперимента были запроектированы образцы с заполнением труб бетоном и пустых стальных труб для испытаний на центральное и внецентренное растяжение; бетонные, которые имеют вид цилиндра с диаметром и длиной бетонного ядра основных образцов, со стержнями из арматуры, забетонированными в образцы с обоих торцов.
Третий раздел диссертационной работы посвящен анализу результатов экспериментальных исследований трубобетонных элементов. При испытании экспериментальные образцы, которые имели разные проценты армирования, классы бетона, эксцентриситет приложения нагрузки, отличались и за несущей способностью. Для оценивания эффективности совместной работы материалов в трубобетонных элементах рассчитывались коэффициенты эффективности и , из анализа значений которых установлено, что трубобетонные элементы имеют несущую способность в 1,1 раза выше, чем элементы из стальных труб, не заполненных бетоном. В процессе исследования трубобетонных образцов на внецентренное растяжение установлена зависимость несущей способности образцов от изменения эксцентриситета приложения к ним усилия.
По результатам экспериментальных исследований были построены графики зависимости от нагрузки продольных и поперечных деформаций трубобетонных элементов. Разрушение трубобетонных элементов происходит вследствие достижения трубой-оболочкой границы текучести.
В четвертом разделе рассматриваются: оценка напряженно-деформированного состояния трубобетонных элементов в упругой и пластичной стадиях, методы расчета несущей способности и результаты внедрения их в производство. За результатами экспериментальных исследований установлено, что при растяжении в трубобетоне возникают две характерные стадии напряженно-деформированного состояния:
1. При малых нагрузках напряжения в бетоне и металле имеют небольшие значения и упругие деформации. С увеличением нагрузки напряжения в бетоне приближаются к границе прочности при растяжении. При последующем увеличении нагрузки в бетоне образуются трещины, перпендикулярные линии действия нагрузки.
2. В местах, где образовались трещины, усилия воспринимаются оболочкой. На участках между трещинами бетон продолжает работать на растяжение. От краев трещин напряжения в бетоне увеличиваются, а в оболочке уменьшаются.
Для решения поставленной задачи с помощью математической теории упругости получено решение для упругой стадии работы трубобетонного растянутого элемента. Для расчета с учетом пластических деформаций использован метод переменных модулей.
По изложенной методике определения напряжений и деформаций в трубобетонном элементе составлено алгоритм расчета растянутых трубобетонных элементов на ПЕОМ на языке VBA в среде MS EXCEL и получены формулы для определения несущей способности растянутых трубобетонных элементов. Установлено, что результаты расчетов несущей способности и деформаций удовлетворительно совпадают с опытными данными. Предложенные методы расчета конструкций полностью учитывают реальную работу растянутых элементов и позволяют с необходимой точностью определять их несущую способность. Основные результаты работы были внедрены при проектировании растянутых элементов несущих конструкций, что позволило уменьшить затраты материалов и снизить стоимость строительства.
Ключевые слова: трубобетонные конструкции, центральное и внецентренное растяжение, напряженно-деформированное состояние, несущая способность.
SUMMARY
Turzhansky P. V. The tensile-deformed state of concrete tube elements which can withstand tensile stresses. – Manuscript.
The scientific thesis for conferring the scientific degree of Master of science in speciality 05.23.01 – „Construction elements, buildings and structures”. – The Poltava National Technical University named in honour of Yuri Kondratyuk, 2006.
Experimental and theoretical research of bearing capacity and survey of tensile deformed state of stretched concrete tube elements are examined in this dissertation. The experimental data analysis was made which set the characteristic features of concrete tube structures with different excentricities while withstanding central and off- central tensile stresses.
Some recommendations concerning the determination of central and off-central stretched concrete tube elements bearing capacity were worked out. The estimation method of tensely-deformed state of such constructions was given.
The comparison of work efficiency of elements under research was made. The research work was accompanied with planning real constructions and putting them into practice which resulted in saving building materials and reducing building costs.
Key words: concrete tube constructions, central and off-central tension, tensile-deformed state, bearing capacity.
