ХАРКІВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

ВАТУЛЯ ГЛІБ ЛЕОНІДОВИЧ

УДК 624.072.2.016.046.2

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ

СТАЛЕБЕТОННИХ БАЛОК ПРЯМОКУТНОГО ПЕРЕРІЗУ,

ЗМІЦНЕНИХ СТАЛЬНИМ ШПРЕНГЕЛЕМ

Спеціальність 05.23.01 – будівельні конструкції,

будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі будівельної механіки та гідравліки Харківської державної академії залізничного транспорту Міністерства транспорту України.

Науковий керівник –

доктор технічних наук, професор

Чихладзе Елгуджа Давидович,

завідуючий кафедрою будівельної механіки та гідравліки Харківської державної академії залізничного транспорту.

Офіційні опоненти:

-

Астанін В’ячеслав Валентинович,

професор кафедри теоретичної та прикладної механіки Київського інституту інженерів залізничного транспорту;

-

Молодченко Геннадій Анатолійович,

завідуючий кафедрою будівельних конструкцій Харківської державної академії міського господарства

Провідна установа – Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти України

Захист відбудеться 4 листопада 1999 р. о 1300 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.820.02 Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 310050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківської державної академії залізничного транспорту за адресою: 310050, м. Харків, майдан Фейєрбаха, 7.

Автореферат розісланий 28 вересня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук,

доцент Єрмак Є.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Основні напрямки прогресу у сучасних будівельних конструкціях пов’язані з проблемою більш ефективного використання міцнісних властивостей матеріалів. Використання залізобетону замість стальних конструкцій призвело до значної економії сталі, але поставило новий ряд питань таких як зменшення розмірів поперечного перерізу, а як наслідок, і маси конструкції. Тому, поруч з пошуками успішно конкуруючих рішень в залізобетоні, велике значення приділяється розвитку інших комбінованих систем, зокрема: сталебетонних та сталезалізобетонних.

Відомо, що бетон у обоймі ефективно працює на осьовий стиск завдяки трансформації одноосьового напруженого стану в трьохосьовий. При згині використання прямокутного чи круглого сталебетону менш ефективно, але сталебетонні конструкції з підкріпленням, наприклад – шпренгельні системи, досить ефективні. Широке впровадження їх у практику будівництва стримується недостатньою розробкою конструкцій та вузлів, а також методів розрахунку, які б відображали особливості роботи сталебетонної балки та шпренгеля.

Мета дисертаційної роботи полягає в розробці конструкції балки та вузлів сполучення її елементів, а також математичного апарату розрахунку, з урахуванням особливостей деформування бетону, стальної обойми та шпренгеля.

Задачі досліджень:

1.

1.

1.

1.

1.

Наукова новизна отриманих результатів:

1.

1.

1.

1.

Практичне значення отриманих результатів. Використання у практиці будівництва сталебетонних балок, зміцнених шпренгелем та інших комбінованих систем замість залізобетонних дозволяє при великих навантаженнях та обмежених розмірах перерізу збільшити прогони, що перекриваються, знизити витрати сталі та отримати значний економічний ефект.

Впровадження. Результати дисертаційної роботи впроваджені в проектні рішення будівництва об’єктів ПО “Південтрансбуд”, на запропоновану конструкцію сталебетонної балки, зміцненої шпренгелем, отримано патент України. Під час стажування у фірмі “Emch+Berger” AG (Берн, Швейцарія) автор виконав аналіз комбінованих конструкцій, що використовуються у зарубіжному будівництві, узагальнив досвід їх експлуатації, запропонував конструктивні пропозиції до сталебетонних конструкцій, що проектуються та опробував методику розрахунку.

Особистий внесок здобувача визначається: виконаними експериментальними дослідженнями; аналізом характера деформування та вичерпання несучої здатності сталебетонних балок прямокутного поперечного перерізу, зміцнених стальним шпренгелем; розробкою математичного апарату розрахунку конструкцій, що розглядаються, з урахуванням особливостей деформування бетону, стальної обойми та шпренегеля.

Апробація результатів дисертації. Результати теоретичних та експериментальних досліджень доповідались на науково-технічних конференціях Харківської державної академії залізничного транспорту (1995 – 1998 рр.), 40th Anniversary Congress of the International Association for Shell and Spatial Structures (IASS) (Мадрид, Іспанія, 1999 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 6 робіт.

Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, переліка використаних джерел, додатків та нараховує 160 сторінок машинописного тексту, у тому числі: 53 рисунка, 4 таблиці, 17 сторінок додатків. Перелік використаних джерел нараховує 109 праць (у тому числі 93 праці вітчизняних та 16 праць іноземних авторів).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено огляд опублікованих робіт з теоретичних та експериментальних досліджень сталебетонних та сталезалізобетонних конструкцій та методів їх розрахунку. Виконано огляд основних підходів до опису процесу деформування бетону в умовах трьохосного напруженого стану.

Математичному опису основних фізичних співвідношень для бетону, сталі та інших матеріалів, а також вивченню властивостей несучих конструкцій, у тому числі конструкцій з зовнішнім армуванням, присвячені роботи Астаніна В.В., Балана Т.А., Бондаренка В.М., Гвоздєва А.А., Генієва Г.А., Долженка А.А., Здоренка В.С., Карпенка М.І., Клименка Ф.Є., Козачевського О.І., Кричевського О.П., Лейтеса Є.С., Малашкіна Ю.М., Молодченка Г.А., Передерія Г.П., Пустовойтова В.П., Росновського В.А., Санжаровського Р.С., Стороженка Л.І., Суворкіна Д.Г., Судніцина А.І., Чихладзе Е.Д., Фоміна С.Л., Фоміци Л.М., Шагіна О.Л., Шимановського О.В., Шмуклера В.С., Яшина О.В., Базанта, Бреббія, Купфера, Хілсдорфа та інших.

Базуючись на вивченні нових напрямків в області удосконалення будівельних конструкцій, можливо відмітити перспективність використання зовнішнього армування, яке одночасно виконує силові, захисні, ізоляційні та технологічні функції. Практика використання конструкцій з зовнішнім армуванням у будівництві говорить, що при великих навантаженнях та обмежених розмірах перерізу вони мають переваги перед іншими типами конструкцій.

Характер деформування та вичерпання несучої здатності сталебетонних конструкцій з підсиленням, зокрема шпренгельних балок досліджено недостатньо. Не виявлено впливу шпренгеля на процес деформування та руйнування балки; не досліджено вплив попередньо напруженого шпренгеля на напружено-деформований стан балки; не оцінено вплив жорсткості вузлових сполучень на несучу здатність та деформативність балки та інше. У зв’язку з цим методика розрахунку сталебетонної балки з шпренгелем повинна ураховувати усі вищеперелічені фактори, а також особливості деформування бетону в умовах об’ємного напруженого стану та стальної обойми в умовах двоосьового напруженого стану.

Другий розділ присвячено теоретичному дослідженню напружено-деформованого стану сталебетонної балки, зміцненої шпренгелем. Конструкція, що розглядається (рис. 1), окрім зовнішньої статичної невизначності має ще й внутрішню, що обумовлена комплексністю перерізу (бетонне ядро, стальна обойма). У цій конструкції розподіл зусиль обумовлюється характером зміни жорсткості сталебетонної балки.

Для визначення жорсткості виділимо з балки сталебетонний елемент одиничної довжини (рис. 2). При згині (позацентровому стиску), порушується симетрія фізичних властивостей бетону відносно нейтральної осі. Як наслідок положення її попередньо невідомо. Тому схема дії на елемент, що згинається, приймається у вигляді вимушеної деформації

, (1)

де - кривизна нейтрального шару;

- відстань від нейтрального шару до волокна, що розглядається.

Розрахункові схеми обойми та ядра у поперечному перерізі сталебетонної балки наведені на рис. 3. За невідомі сили прийняті дотичні та нормальні контактні сили . Вважаємо, що матеріал обойми має властивості ідеальної упругопластичності. Зв’язок між напруженнями та деформаціями у бетоні для випадку простого навантаження приймаємо у вигляді закону Гука. При цьому параметри деформування: січний модуль деформацій бетону при стиску (розтягненні) та коефіцієнт поперечних деформацій залежать від стадії напруженого стану. Указані параметри приймаються у наступному вигляді:

(2)

(3)

де - січний модуль відносних об’ємних змінень бетону;

- січний модуль зсуву.

Контактні сили знайдемо з умов рівності переміщень на межі контакту. Математичний запис цієї умови – система канонічних рівнянь

(4)

Елементи

матриці являють собою різниці поперечних переміщень точки обойми та бетонного ядра від одиничних сил станів. Елементи матриці стовбця - відповідно різниці поперечних переміщень обойми та ядра від вимушеної деформації.

Поперечні переміщення визначаються у замкненому вигляді. При визначенні поперечних переміщень від системи сил точки обойми на рівні нейтральної осі вважаємо нерухомими у напрямку осі .

Для визначення переміщень у бетонному ядрі від одиничних сил вирішуємо плоску задачу із змінними по полю параметрами деформування

(5)

Поперечні переміщення обойми від поздовжніх деформацій визначаються

, (6)

де - координати точки, що розглядається.

Поперечні переміщення в ядрі від деформацій визначимо в результаті наближеного розв’язання просторової задачі

(7)

де - ордината та абсциса точки, в якій визначаються переміщення.

Запропоноване рішення реалізується кроковим перебиранням деформованих станів сталебетонного елементу. Кожний деформований стан визначається кривизною. Величина кроку знаходиться залежно від величини діючого поздовжнього навантаження. В результаті в табличному вигляді отримані залежності між згинаючим моментом та кривизною в перерізі сталебетонного елемента, які використовуються для оцінки жорсткості:

. (8)

Критерієм граничного стану є досягнення у розтягненій зоні межі текучості, що визначається за Мізесом або у крайніх волокнах стислого бетону – межі міцності.

Внутрішня статична невизначність зовнішньо статично невизначної системи розкривається у єдиному процесі послідовних наближень. Поєднання процесів внутрішніх та зовнішніх ітерацій завдяки послідовним наближенням полягає: у звичайній упруголінійній постановці вирішується задана система та визначаються епюри внутрішніх зусиль; визначаються перерізи, в яких, базуючись на зусиллях, за допомогою внутрішнього процесу ітерацій уточнюються розрахункові жорсткості; за новим законом змінення жорсткості повторюється статичний розрахунок системи з урахуванням змінності поздовж прогону розрахункових жорсткостей; за зусиллями першого наближення знов уточнюються жорсткості, а за ними знаходятся епюри зусиль у другому наближенні і т.д. до стабільної збіжності з заданою ступінню точності.

Реалізація розрахунків виконана на ПЕОМ. Програма розрахунку складається з двох блоків основної програми та пакета підпрограм. У блоках основної програми розкриваються внутрішня та зовнішня статичні невизначності системи. Основна програма здійснює ввід вихідних даних; визначення масивів змінних; визначення параметрів моделі МКР; визначення переміщень в стальній обоймі від одиничних сил станів та деформацій; визначення значень функції напруження та її похідної на контурі при довільних станах; визначення переміщень бетонного ядра від деформацій та одиничних сил; формування СЛАР методу сил з урахуванням виключення в’язів.

Третій розділ присвячено експериментальним дослідженням сталебетонних балок, зміцнених шпренгелем при згині.

Сталебетонні балки довжиною виготовлялися з двох стальних швелерів з рівними полицями за ГОСТ 8278 – 83* (із вуглецевої сталі) з товщиною стінки , шириною полиці , висотою швелерів зварених між собою по поздовжній осі. Торці швелерів оброблялися на токарному верстаті.

Для виготовлення бетонної суміші складом за масою при водноцементному співвідношенні використовувався портландцемент марки . Заповнювачем застосовувався пісок середньої величини і гранітний щебінь фракціями . Після закінчення вібрування поверхня бетону ретельно вирівнювалась, торці балки заварювалися. Твердіння зразків відбувалось в лабораторних умовах (зразки першої та другої серії) і в пропарочній камері (зразки третьої серії).

З’єднання похилих елементів двогілкового шпренгеля з сталебетонною балкою здійснено: зварним (БШ – 1) і шарнірним (БШ – 2, БШ – 3) (рис.4).

При шарнірному з’єднанні в балку під час бетонування закладався стальний круглий стержень діаметром , який потім пропускався у отвори, які малися у похилих елементах.

Інші вузли виконані в двох варіантах, у зразках першої і другої серії – зварні (рис. 5), в зразках третьої серії – шарнірні.

У цьому разі шарнірне з‘єднання досягається: у вузлах примикання вертикальних стояків до сталебетонної балки шляхом приварювання у третинах прогону сталевих напівтрубків, у які вставлялися стояки, верхня частина яких мала вигляд півкола з (рис. 6а), а у вузлах з‘єднання похилих, горизонтальних і вертикальних елементів – за допомогою круглого стального стержня (рис. 6б).

У одному із зразків кожної серії горизонтальний елемент виготовлявся розрізним, з зазором і забезпечувався стяжною муфтою. Це дозволило здійснити попередній натяг шпренгеля.

Для визначення міцностних і деформативних характеристик матеріалів проводилися стандартні випробування.

Шпренгель:

.

Обойма: ,

.

Бетон: ,

де - межа текучості; -межа міцності; - деформація, яка відповідає межі текучості; , - модуль пружності, відповідно для сталі та бетону; - гранична деформація; , - коефіцієнт Пуасона; - міцність бетону; - гранична деформація бетону.

Для вимірювання поздовжніх деформацій обойми і елементів шпренгеля використовувалися датчики омічного опору типу КФ5П.1. – 20 –100 – А – 12, які розташовувалися в обоймі у середньому перерізі по усьому периметру (на верхній і нижній гранях по 3 штуки, на боковій грані 6 штук) (рис.7а), у елементах шпренгеля – по два на кожному, з одного та другого боку і посередині елемента.

Крім того, для вимірювання прогинів сталебетонної балки використовувалися індикатори часового типу з ціною позначки на базі .

Випробування проводилися на гідравлічному пресі ГРМ – 1 ступенями, які складали 0.15 від руйнівного навантаження. У процесі випробувань показання тензодатчиків знімалися на кожному етапі навантаження за допомогою приладу АИД – 4. Результати випробувань наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 – Порівняння експериментальних і теоретичних значень несучої здатності сталебетонних балок, зміцнених шпренгелем

№ серії | Шифр

зразка | Розміри поперечного перерізу | Відносна величина попереднього напруження у похилому елементі |

Прогин

мм | Руйнівне навантаження

мм | мм | ,

кН |

кН

БШ – 1 – 1 | 150 | 150 | - | 11.34 | 415 | 440 | 1.06

1 | БШ – 1 – 2 | 150 | 150 | - | 11.47 | 415 | 444 | 1.07

БШ – 1 – 3 | 150 | 150 | 0.281 | 11.04 | 437 | 477 | 1.09

БШ – 2 – 1 | 150 | 150 | - | 11.58 | 385 | 405 | 1.05

2 | БШ – 2 – 2 | 150 | 150 | - | 12.13 | 385 | 412 | 1.07

БШ – 2 – 3 | 150 | 150 | 0.316 | 11.31 | 406 | 450 | 1.11

БШ – 3 – 1 | 150 | 150 | - | 13.40 | 349 | 370 | 1.06

3 | БШ – 3 – 2 | 150 | 150 | - | 12.87 | 349 | 360 | 1.03

БШ – 3 – 3 | 150 | 150 | 0.346 | 12.35 | 373 | 410 | 1.10

Теоретичне навантаження отримано шляхом розрахунку сталебетонної балки на позацентровий стиск. Несуча здатність балки без шпренгеля становила .

Як видно з таблиці 1 у зразках першої серії несуча здатність була вище у порівнянні із зразками другої та третьої серії. Це пояснюється більшою податливістю вузлів з шарнірним з’єднанням елементів, порівнюючи з жорстким. Руйнування зразків характеризувалося досягненням текучості обойми у стислій зоні, з наступним її випученням. Напруження в елементах шпренгеля становили 70% та 65% від межі текучості відповідно при зварному та шарнірному з’єднанні. Попереднє напруження дозволило досягнути більшої несучої здатності. При цьому руйнування відбувалося при одночасному досягненні межі текучості як в стислих волокнах обойми, так і в елементах шпренгеля. На рис.7 наводиться епюра деформацій в перерізі балки БШ – 2 – 3 у момент, який передує руйнуванню.

У четвертому розділі наводяться дані про практичне впровадження результатів дисертаційної роботи. Методика розрахунку та конструкції сталебетонних балок, зміцнених шпренгелем прийняті до впроваждення у проектних рішеннях будівництва об’єктів ПО “Південтрансбуд”.

Сталебетонні конструкції знайшли використання при проектуванні споруд у ряді країн Західної Європи. Так, у конструктивному рішенні фасаду при будівництві третього міжнародного аеропорту у Лондоні були використані сталебетонні конструкції з підсиленням (рис. 8).

Запропонована конструкція сталебетонної балки (рис. 9), що включає верхній 1, нижній 2 пояси, вертикальні стояки 3. З’єднання верхнього 1 і нижнього 2 поясів з вертикальними стояками 3 – шарнірне у вигляді трубобетонних вкладишів 4, що пропущені в отвори у косинках 5, які являють собою продовження вертикальних граней обох поясів 1 та 2. Нижній пояс 2 виготовлено ламаним з зазором в середній частині, вертикальні стояки 3 з отворами для трубобетонних вкладишів 4. Нижній пояс 2 і вертикальні стояки 3 складають шпренгель.

ВИСНОВКИ

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

1.

Основні положення дисертації опубліковані у наступних працях:

1.

1.

1.

1.

1.

1.

АНОТАЦІЯ

Ватуля Г.Л. Несуча здатність сталебетонних балок прямокутного поперечного перерізу, зміцнених стальним шпренгелем. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Харківська державна академія залізничного транспорту, Харків, 1999.

Дисертація присвячена розробці методики визначення несучої здатності сталебетонних балок прямокутного поперечного перерізу, зміцнених стальним шпренгелем, з урахуванням властивостей деформування бетону в умовах об’ємного напруженого стану та стальної обойми в умовах двоосьового напруженого стану. Проведено експериментальні дослідження сталебетонних балок в умовах короткочасного статичного навантаження. Основні результати роботи впроваджені у будівництво.

Ключові слова: сталебетонна балка, шпренгель, попереднє напруження, напружено-деформований стан, несуча здатність, шарнір, межа текучості.

Ватуля Г.Л. Несущая способность сталебетонных балок прямоугольного поперечного сечения, усиленных стальным шпренгелем. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – строительные конструкции, здания и сооружения. - Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 1999.

На основании анализа методов расчета сталебетонных и сталежелезобетонных конструкций сделан вывод, что вопросы расчета сталебетонных изгибаемых конструкций с подкреплениями, в частности шпренгельных балок, изучены недостаточно. Проведены экспериментальные исследования сталебетонных изгибаемых балок прямоугольного поперечного сечения, усиленных шпренгелем, при кратковременном статическом загружении. Испытано 9 образцов, в 3 из которых, было осуществлено предварительное напряжение шпренгеля. Разработаны узлы сопряжения балки со шпренгелем, элементов шпренгеля между собой и проведена экспериментальная оценка предложенных решений. Показано, что шпренгель с жесткими узлами увеличивает несущую способность сталебетонных балок в 2.6 раза, с шарнирными узлами – в 2.4 раза. Разрушение образцов характеризовалось достижением текучести обоймы в сжатой зоне, с последующим её выпучиванием. Напряжения в элементах шпренгеля составляли 70% и 65% от напряжений текучести, соответственно при сварном и шарнирном соединениях узлов конструкции.

Разработана конструкция предварительно напряженного шпренгеля и произведена оценка влияния предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние конструкции. Разрушение экспериментальных образцов произошло при одновременном достижении предела текучести, как в сжатых волокнах обоймы, так и элементов шпренгеля.

Разработана методика определения несущей способности сталебетонной балки прямоугольного сечения, усиленной шпренгелем, при кратковременном воздействии с учетом нелинейности деформирования и трещинообразования бетона в условиях объемного неоднородного напряженного состояния. Рассматриваемая конструкция помимо внешней статической неопределимости имеет еще и внутреннюю статическую неопределимость, которая обусловлена комплексностью сечения (бетонное ядро, стальная обойма). Внешняя и внутренняя статические неопределимости раскрываются в едином процессе последовательных приближений.

Реализация расчетов осуществлена на ПЭВМ. Программа расчета состоит из двух блоков основной программы и пакета подпрограмм. В блоках основной программы раскрываются внутренняя и внешняя статические неопределимости системы. Основная программа осуществляет ввод исходных данных; определение массивов переменных; определение параметров модели МКР; определение перемещений в стальной обойме от единичных сил состояний и деформации; определение значений функции напряжения и ее производной на контуре при различных состояниях; определение перемещений бетонного ядра от деформации и единичных сил; формирование СЛАУ метода сил с учетом выключения связей.

На предложенную конструкцию сталебетонной балки, усиленной шпренгелем, получен патент Украины. Методика расчета и конструкции сталебетонных балок, усиленных шпренгелем, внедрены в проектные решения строительства объектов ПО “Южтрансстрой”. Анализ использования сталебетонных конструкций с подкреплениями в зарубежном строительстве показал их предпочтительность перед другими типами конструкций при больших нагрузках и ограниченных размерах сечения.

Ключевые слова: сталебетонная балка, шпренгель, предварительное напряжение, напряженно-деформированное состояние, несущая способность, шарнир, предел текучести.

Vatulya G.L. Carrying capacity of rectangular steel-concrete beam, strengthened by the steel tie-rod. – Manuscript.

Dissertation for scientific degree of candidate of technical sciences by speciality 05.23.01 – building constructions, buildings and structures. – Kharkov State Academy of Railway Transport, Kharkov, 1999.

The dissertation is devoted to elaboration of methodology for carrying capacity determination of bending rectangular steel-concrete beam, strengthened by the steel tie-rod, taking into account peculiarity of concrete work under the conditions of three-dimensionally stressed state and steel casing - under the conditions of two-dimensionally one. Experimental researches were carried out under the short-term static loading. The basic results of the work were proposed to be used in practice.

Key words: steel-concrete beam, tie-rod, pre-stressing, stress-strained state, carrying capacity, hinge, yield limit.

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Несуча здатність сталебетонних балок прямокутного перерізу, зміцнених стальним

шпренгелем

Ватуля Гліб Леонідович

Відповідальний за випуск

Романенко В.В.

Підписано до друку 22.09.99 р.

Формат паперу 64x84 1/16. Папір писальний.

Друк офсетний. Умовн.-друк.арк.1,0.Обл.-вид.арк. 1,2.

Замовлення № 424. Тираж 100 екз.

Вид. ХарДАЗТ, 310050, м. Харків-50, майдан Фейєрбаха, 7.

Друк. ХарДАЗТ, 310050, м. Харків-50, майдан Фейєрбаха, 7.