Міцність залізобетонних колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний університет “Львівська політехніка”

УДК 624.012.3.075.23

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Міцність залізобетонних колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою

05. 23. 01 - Будівельні конструкції. Будівлі та споруди

Холод Петро Федорович

Львів 2000

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми: Однією з важливих проблем будівництва на даному етапі є проектування ефективних конструкцій з мінімальною затратою будівельних матеріалів. Цьому сприяє застосування в будівництві залізобетонних конструкцій з високоміцною арматурою.

Однак, повне використання характеристик міцності високоміцної арматури в стиснутих залізобетонних елементах обмежується граничною деформативністю бетону, при якому максимальне стискуюче напруження в арматурі не може перевищувати 400-500 МПа. Окремими авторами запропоновано в стадії виготовлення виконувати попередній обтиск високоміцної арматури, який дає можливість використати її характеристики міцності. Отримане зусилля попереднього обтиску в арматурі передається безпосередньо на бетон, що як правило, призводить до утворення тріщин. Це негативно впливає на роботу цих конструкцій.

В даній роботі запропоновано новий спосіб армування таких колон з застосуванням просторових арматурних каркасів з попередньо стиснутою високоміцною арматурою, в яких реактивні зусилля від обтиску передаються на арматуру низьких класів, яка входить в каркас і об'єднана з високоміцною торцевими металевими плитами.

Запропонований метод армування стиснутих елементів дозволяє ефективно використовувати міцність високоміцної сталі і за рахунок цього отримати підвищення несучої здатності залізобетонних колон без збільшення проценту армування, а також отримати значну економію сталі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана в рамках держбюджетної та госпдоговірної таматики НДЛ-23 кафедри “Будівельні конструкції та мости”, а також є складовою частиною науково-технічної програми РН55.08 “Матеріалоємкість”.

Мета роботи: Розробка залізобетонних колон для каркасних багатоповерхових будинків під великі навантаження з мінімальною витратою матеріалів і високим рівнем уніфікації.

Задачі дослідження:

- опрацювання нового способу армування залізобетонних колон з використанням високоміцної арматури;

- розробка методу розрахунку запропонованих залізобетонних колон на основі детального вивчення їх напружено-деформованого стану на різних етапах їх завантаження;

- математичне моделювання напружено-деформованого стану колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою, яка базується на використанні реальних діаграм - бетону та арматури.

Наукова новизна одержаних результатів

- розроблено новий спосіб армування залізобетонних колон для каркасних багатоповерхових будинків під великі навантаження (більше 5 МН) з використанням стиснутої високоміцної арматури;

- розроблена методика експериментальних досліджень міцності і деформативності стиснутих елементів із запропонованим способом армування при центральному та позацентровому стиску з величиною ексцентриситету е=(0,23...0,46)h₀ і гнучкості _h=4...15;

- запропоновано інженерну методику розрахунку центрально та позацентрово стиснутих залізобетонних елементів з попередньо стиснутою високоміцною арматурою з врахуванням пружньопластичної роботи матеріалів;

- розроблено методику визначення напружено-деформованого стану залізобетонних колон, армованих попередньо стиснутою високоміцною арматурою з застосуванням математичного моделювання і ЕОМ, при використанні реальних діаграм - бетону та арматури, проведено числовий експеримент з метою виявлення діапазону раціонального застосування запропонованого типу колон.

Наукові положення, висновки та рекомендації, які сформульовані в дисертаційній роботі, є теоретично обгрунтовані, а їх правдивість підтверджена результатами експериментальних досліджень та математичного моделювання, що базуються на дискретному представленні конструкцій з використанням реальних діаграм “” для арматури і бетону.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблено новий спосіб армування колон, який дає можливість застосовування їх в каркасах багатоповерхових будинків для великих навантажень і з високим рівнем уніфікації.

2. Запропонована інженерна методика розрахунку міцності колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою, при центральному і позацентровому навантаженні.

3. Запропонована методика оцінки напружено-деформованого стану з використанням математичної моделі, яка базується на дискретному представленні конструкцій і реальних діаграмах “” для арматури і бетону.

4. На основі теоретичних і експериментальних досліджень визначена раціональна область застосування залізобетонних колон, армованих високоміцною арматурою.

На основі виконаних експериментальних досліджень та рекомендацій з розрахунку стиснутих елементів з попередньо напруженими арматурними каркасами, запроектовано несучий залізобетонний каркас 20-и поверхового будинку з раціональними уніфікованими розмірами поперечного перерізу колон, що дозволило отримати економію арматурної сталі в порівнянні зі звичайними способами армування до 30%. Результати досліджень та запропоновані методи розрахунку впроваджуються інститутом ВАТ “Львівтеплоелектропроект” в експериментальному проектуванні будівель енергетичного комплексу.

Особистий внесок здобувача складає

Розробка методики експериментальних досліджень та конструкції дослідних зразків; розробка способу виготовлення колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою та методики теоретичного визначення кроку поперечних фіксаторів для забезпечення стійкості стержнів високоміцної арматури при попередньому обтиску; експериментальні дослідження колон; перевірка достовірності та уточнення запропонованої методики розрахунку на основі результатів експериментальних досліджень; числовий експеримент на базі створеної математичної моделі напружено-деформованого стану колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою.

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Вдосконалення методів розрахунку і проектування сучасних видів будівельних конструкцій” (Рівне, 1988); на науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю з дня народження професора А.С.Курила (Львів, 1989); на ХУ науково-виробничій регіональній нараді “Автоматизація, проектування і дослідження залізобетонних багатоповерхових будинків (Львів, 1989); на республіканській науково-технічній конференції “Вдосконалення залізобетонних конструкцій, які працюють на складні деформації і їх впровадження в будівельну практику” (Полтава, 1989); на ХХХУ конференції по будівництву в Польщі “Конструкції бетонові” (Вроцлав-Криниця, 1989); на науково-практичній конференції “Дослідження роботи і застосування в будівництві ефективних елементів конструкцій (Рівне, 1990); на ХХХІХ науковій конференції по будівництву в Польщі “Науково-дослідницькі проблеми в будівництві” (Варшава-Криниця-Жешув, 1993); на конференції до 150-річчя ЛПІ “Проблеми теорії та практики будівництва” (Львів, 1994); на першій Всеукраїнській конференції “Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону” (Київ, 1996); на конференції присвяченій 25-років сталебетонним конструкціям з зовнішнім армуванням (Львів, 1996); на науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції будівлі та споруди” (Рівне, 1999); на науково - технічних конференціях інженерно - будівельного факультету і наукових семінарах кафедри “Будівельні конструкції та мости” в ДУ “Львівська політехніка” в 1984-1999 роках.

Публікації

По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі 4 статті у Віснику ДУ “Львівська політехніка”; 1 стаття у Віснику Рівненського державного технічного університету; 4 тези-доповіді на загально-українських конференціях; 1 стаття-доповідь на міжнародній конференції; 1 тези доповідей на міжнародній конференції.

Структура дисертації

Робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Загальний об'єм 174 сторінки, в тому числі 123 сторінки тексту, список літератури з 182 використаних джерел на 19 сторінках, додатки на 32 сторінках, 87 рисунків, 3 таблиці.

Автор висловлює щиру подяку науковим керівникам д.т.н., проф. Клименку Ф.Є., к.т.н., доц. Ониськіву Б.М. за керівництво та к.т.н., доц. Бліхарському З.Я. за всесторонню допомогу при виконанні дисертаційної роботи, а також всім членам кафедри, лабораторії.

Основний зміст роботи

В передмові обгрунтована необхідність виконання досліджень стиснутих залізобетонних елементів, армованих високоміцною арматурою, формулюється мета і задачі дисертаційної роботи.

Розділ І. Виконано аналітичний огляд технічної літератури. Питаннями дослідження стиснутих залізобетонних елементів займалися ряд відомих вчених як в нашій країні так і за кордоном: А.Г.Азізов, Є.М.Бабич, В.Я.Бачинський, А.М.Бамбура, В.Н.Бойцов, П.Ф.Вахненко, Л.А.Вайцекаускас, О.О.Гвоздєв, А.Б.Голишев, І.І.Градюк, В.Н.Гусаков, В.Г.Житушкін, В.Г.Казачок, А.Н.Ковальський, А.Г.Клочков, К.К.Лазаревічус, Г.А.Лакюнас, Д.Р.Маілян, Б.М.Ониськів, Т.М.Пецольд, Л.І.Стороженко, В.В.Сімейко, Е.А.Чистяков, В.Є.Чубаров, І.Алкок, С.Арони, Н.Д.Натан, М.М.Шпак.

Всі ці дослідження направлені на досягнення максимальної несучої здатності стиснутих елементів та економію арматури.

Аналіз способів підвищення несучої здатності колон показав, що один із найбільш ефективних та економічно доцільних методів є застосування в якості робочої високоміцної арматури. Різними авторами опрацьовано цілий ряд пропозицій з застосуванням високоміцної арматури в стиснутих елементах, а саме: сумісно з дисперсним армуванням конструкцій; з попереднім натягом високоміцної арматури; з попереднім розтягом високоміцної арматури в комбінації із звичайною; попередньо стиснутою високоміцною ненапруженою арматурою; із попередньо стиснутою в комбінації із попередньо розтягнутою високоміцною арматурою. Ці методи детально описані в даному розділі. Основною їх метою було максимальне використання характеристик міцності високоміцної арматури. Основним недоліком цих пропозицій є те, що зусилля попереднього обтиску і попереднього натягу передається безпосередньо на бетон під час виготовлення конструкції. Це супроводжується появою та розкриттям тріщин в бетоні до прикладення навантаження на колону. При цьому значно зменшується несуча здатність стиснутих елементів. Не вивчено детально напружено-деформований стан колон з використанням попередньо обтиснутої високоміцної арматури в процесі їх роботи, а також до кінця не вирішено питання методики розрахунку міцності таких елементів.

В зв'язку з цим випливають такі напрямки досліджень:

1. Розробити ефективні конструкції колон під великі навантаження із застосуванням високоміцної арматури.

2. Розробити інженерний метод розрахунку центрально- та позацентрово стиснутих залізобетонних елементів з високоміцною попередньо стиснутою арматурою на базі існуючих норм.

3. Розробити математичну модель для вивчення напружено-деформованого стану запропонованого типу залізобетонних колон з дискретним представленням конструкції та використанням реальних діафрагм “” бетону і арматури.

4. На базі математичної моделі провести числовий експеримент з метою виявлення діапазону раціонального використання колон, армованих просторовими каркасами з попередньо стиснутою високоміцною арматурою.

5. Розробити методики експериментальних досліджень та конструкції дослідних зразків залізобетонних елементів з використанням попередньо стиснутої високоміцної арматури при центральному і позацентровому стиску.

6. Розробити методику розрахунку стійкості стержнів попередньо стиснутої високоміцної арматури при виготовленні просторових арматурних каркасів.

7. Виконати експериментальні дослідження зразків колон з діапазоном гнучкостей _h=4…15 при центральному та позацентровому стиску.

Розділ 2. Розглядаються експериментальні дослідження стиснутих залізобетонних елементів з використанням просторового арматурного каркасу, в якому реактивна сила від обтиску високоміцної арматури передається безпосередньо на арматуру низьких класів через опорні пластини.

Згідно з програмою досліджень запроектовано, виготовлено і випробувано 5 серій дослідних взірців колон з поперечним перерізом 200200 мм і довжиною 800, 2000, 3000мм в загальній кількості 20 зразків. Зразки 1 серії з високоміцною арматурою 418АтУ і кутниковою арматурою класу ВСт3кп2 4505.

В І і ІІ серіях виготовлено по 2 зразки з попередньо напруженими і 2 без попереднього напруження арматурних каркасів, в ІІІ серії дослідних залізобетонних колон високоміцна арматура використовувалась без зчеплення з бетоном, з частковим попереднім її напруженням і без попереднього напруження. Для проведення експериментальних досліджень розроблена методика випробування центрально стиснутих коротких елементів І, ІІ, ІІІ серій, які випробовувались на 500-тонному пресі у вертикальному положенні з кулеподібними шарнірами. Для випробування ІУ серії зразків розроблена методика позацентрово стиснутих коротких елементів з е₀=(0,23…0,46)h₀, які також випробовувалися на 500-тонному пресі, але з ножовими шарнірами, а також розроблена методика випробування довгих зразків з _h=10 і _h=15 при центральному і при позацентровому стиску. Експериментальні дослідження зразків довжиною 2 і 3 м проводились на спеціальному стенді в горизонтальному положенні з використанням ножових шарнірів. Результати випробовувань залізобетонних колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою наведені в таблиці 1.

Запропонований спосіб армування стиснутих елементів високоміцною арматурою може бути ефективно використаний при умові забезпечення стійкості арматурних стержнів під час попереднього їх обтиску. В зв'язку з цим була розроблена методика визначення кроку поперечних фіксаторів для високоміцної арматури, згідно з якою стиснута та розтягнута арматури з'єднуються між собою поперечними спеціальними фіксаторами з певним кроком по довжині елемента.

Таблиця 1. Результати досліджень залізобетонних колон

Серія	Шифр колон	Довжина, l мм	Ексцентриситет мм, е,	Гнучкістьh	Рівень натягу арматури sp, МПа	Рівень стиску арматури, sp, МПа	Зусилля натя гу (обтиску) арматури N, кН	Поява тріщини Ncrc, кН	Несуча здатність дослідних колон, кН
									Експериментальна, Ne	Теоретична, Nт
	КУО-1а	800	0	4	-	-	-	1600	2100	2140	1,02
І	КУО-1б	800	0	4	-	-	-	1800	2100	2140	1,02
	КУН-1а	800	0	4	161	304	309	2000	2300	2570	1,07
	КУН-1б	800	0	4	165	311,5	316	1800	2300	2570	1,07
	КСО-1а	800	0	4	-	-	-	1800	2100	2095	1,00
ІІ	КСО-1б	800	0	4	-	-	-	1800	2100	2095	1,00
	КСН-1а	800	0	4	185	228	232	2000	2400	2520	1,05
	КСН-1б	800	0	4	188	232	236	2000	2400	2520	1,05
	КСО3-3а	800	0	4	-	-	-	1600	2000	2150	1,08
ІІІ	КСО3-3б	800	0	4	-	-	-	1600	1900	2150	1,00
	КСН3-3а	800	0	4	100	125	125,6	1800	1800	1975	1,13
	КСН3-3б	800	0	4	100	125	125,6	1800	1800	1975	1,13
	КСНе1-4а	800	35	4	252	310	316	1300	1300	1259	0,97
ІУ	КСНе1-4б	800	35	4	257	317	323	1100	1200	1259	1,05
	КСНе2-4а	800	70	4	262	323	329	500	850	854	1,00
	КСНе2-4б	800	70	4	273	336	342	700	800	854	1,07
	КСН2-2а	2000	0	10	262	323	329	2000	2200	1830	0,83
У	КСН2-2б	2000	35	10	257	317	323	1200	1400	1340	0,95
	КСН3-2а	3000	0	15	252	310	316	1200	1600	1540	0,96
	КСН3-2б	3000	0	15	257	317	323	1100	1400	1540	1,10

Ця методика опрацьована на основі методики розрахунку центрально стиснутого стержня на пружно-податливих опорах, запропонованої проф. Тимошенком С.П.

Прирівнюючи розрахункове зусилля попереднього обтисну стенжня (N_y) з критичною силою (P_cr) можна визначити кількість півхвиль К за умовою

(1)

Кількість проміжних опор для стиснутого стержня і буде відповідати кількості півхвиль.

Розділ 3. Приведені результати, які дозволили оцінити напружено-деформований стан колон на всіх стадіях завантаження включно до руйнування при центральному та позацентровому стиску. В серіях І і ІІ випробовувались зразки-близнюки без попереднього напруження та з попереднім обтиском високоміцної арматури. Як видно з графіків залежності деформації арматури від навантаження (рис.3) в колонах з попередньо обтиснутою арматурою деформації стиску в арматурі класу А-ІІ в кінцевій стадіях випробовування складають _s=170х10^-5, а з врахуванням деформації попереднього розтягу _s=260х10^-5 . Для ненапружених колон деформації арматури А-ІІ перед руйнуванням зразків становили _s=175х10^-5 , що як і в попередньому випадку наближено відповідають напруженням на межі текучості. Деформації високоміцної арматури А_т-V на цьому ж рівні завантаження в попередньо напружених зразках складали при випробуваннях _sp=270х10^-5 , а повні з врахуванням попереднього обтиску _sp=390х10^-5, що відповідає напруженням 702 МПа. Деформації високоміцної арматури в ненапружених колонах складали 215х10^-5, що відповідає напруженням 385 МПа, які майже в два рази менші в порівнянні з попередньо напруженими зразками. Величини деформацій арматури вказують на те, що міцність арматурних сталей в попередньо напружених зразках практично повністю використовується. В ненапружених це відноситься тільки до арматури низьких класів, а високоміцна арматура використовується на 40-50 %. Крім цього необхідно зауважити, що в попередньо напружених зразках колон зафіксовано підвищену граничну деформативність бетону в порівнянні із ненапруженими.

В колонах без щеплення високоміцної арматури з бетоном та з частковим попереднім її обтиском зафіксовано деяке зменшення величини несучої здатності викликане передачею сил попереднього напруження арматури тільки на бетон під час завантаження, тому для їх застосування потрібне виконання додаткових досліджень.

При позацентровому стиску колони випробовувались з ексцентриситетом е₀=35 мм, що відповідає радіусу ядра перерізу, та з е₀=70 мм . Зі сторони стиснутої грані досягнуто повне використання характеристик міцності попередньо обтиснутої високоміцної та попередньо розтягнутої арматури класу А-ІІ. Руйнування пройшло внаслідок роздроблення бетону стиснутої ділянки перерізу і мало раптовий характер. Відносні руйнуючі зусилля при е₀=35 мм зменшились на 20…25 % в порівнянні з центрально стиснутими колонами, а при е₀=70 мм на 47 %. В зразках довжиною 2000 мм при е₀=35 мм руйнуючі зусилля зменшились на 45 % (табл. 1).

Вплив гнучкості вивчався при випробуванні центрально завантажених колон довжиною 2000 і 3000 мм, тобто з гнучкістю _h=10 і 15. При випробуванні колон довжиною 2000 мм особливого впливу гнучкості не спостерігалося. Руйнування їх пройшло при навантаженнях на 10 % менше, ніж в аналогічних коротких колонах з _h=4. Характеристики міцності арматури були використані повністю. Значний вплив гнучкості простежувався при випробуванні колон довжиною 3000 мм з гнучкістю _h=15. Їх руйнування пройшло раптово внаслідок втрати загальної стійкості з роздробленням бетону посередині зразка. Руйнівні навантаження зменшилися в порівнянні з короткими в 1,5 і 1,7 разів.

Розділ 4. Для розрахунку центрально стиснутих елементів рекомендується використати наближену методику СНиП 2.03.01-84 з врахуванням особливості їх армування. Перевірка міцності здійснюється тільки в найбільш напруженому перерізі, а вплив прогину враховується коефіцієнтом збільшення напружень (). Міцність залізобетонних елементів прямокутного перерізу при гнучкості _h20 визначається за формулою

(2)

(3)

(4)

тут _b, _sb - коефіцієнти, які враховують гнучкість; A_s,tot - сумарна площа арматури в перерізі; R_b, A_b - розрахунковий опір та площа поперечного перерізу бетону; _sрc; A_sрс - максимальні напруження та площа поперечного перерізу високоміцної арматури; _sc; A_sс - максимальні напруження стиску та площа поперечного перерізу арматури низьких класів.

(5)

(6)

тут R_spс, R_sр- розрахункові опори попередньо обтиснутої і попередньо розтягнутої арматури; ₁, ₂, ₃, ₈, ₉ - втрати попереднього напруження в арматурі від релаксації, деформації анкерів, усадки і повзучості бетону; E_sс- модуль пружності попередньо розтягнутої арматури; _u,b- гранична деформація бетону при стиску.

Площа поперечного перерізу високоміцної попередньо стиснутої арматури визначається за формулою

високоміцна арматура попередній обтиск

(7)

а площа поперечного перерізу звичайної попередньо розтягнутої арматури за формулою

(8)

де _spc,о - напруження попереднього обтиску високоміцної арматури;

;

Е_spс - модуль пружності попередньо обтиснутої арматури.

При позацентровому стиску будівельні норми рекомендують розраховувати позацентрово стиснуті елементи за наближеною методикою з врахуванням ексцентриситету прикладення повздовжньої сили. Розрахунок елементів прямокутних перерізів із запропонованим симетричним армуванням високоміцною арматурою Ат-V і звичайною А-ІІ пропонується виконувати за нормативними рекомендаціями в залежності від величини відносної висоти стиснутої ділянки поперечного перерізу, тобто від випадку позацентрового стиску з врахуванням попереднього обтиску високоміцної і попередньо розтягненої звичайної арматури за умовою

(9)

Вплив прогину елемента враховується шляхом збільшення величини ексцентриситету прикладення сили, перемножуючи його на коефіцієнт, який визначається за формулою

(10)

Розрахунковий ексцентриситет визначаємо за формулою

(11)

Умовна критична сила згідно з нормами визначається із умови

(12)

тут враховує непружні деформації при роботі залізобетонних конструкцій на стиск і визначається за формулою

(13)

(14)

Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що на величину _е,min має певний вплив процент армування конструкцій, тому

(15)

У зв'язку з розприділеним розташуванням арматури в перерізі колони розрахунок міцності виконується за уточненою методикою СНиП 2.03.01-84 (загальний випадок).

Відносна висота стиснутої ділянки перерізу визначається за формулою:

(16)

в формулі (16) приймається найбільше значення _SR і _SC,U, тобто для високоміцної арматури

(17)

при _в2=1…1,1 (18)

при _в2=0,9 (19)

При визначенні _е1,

(20)

=0,8 - згідно з СНиП 2.03.01-84

Висоту стиснутої ділянки перерізу і напруження в і-му стержні повздовжньої арматури визначаємо із сумісного розв'язування рівнянь:

(21)

при

(22)

при _{еl,і і Ri}

(23)

при _{і еl,і}

(24)

для попередньо стиснутої арматури класу Ат-У _spi=0, а для попередньо розтягненої арматури _spi дорівнює напруженням попереднього натягу.

В цих формулах: А_b - площа стиснутої ділянки бетону; A_spi - площа перерізу і-го стержня повздовжньої попередньо розтягнутої арматури; A_spci - площа перерізу і-го стержня повздовжньої попередньо стиснутої арматури; _spi - напруження в і-му стержні поздовжньої арматури A_spi; _spci - напруження в і-му стержні поздовжньої арматури A_spсi; _i - відносна висота стиснутої ділянки, яка рівна _i=Х/h_oi, де h_oi - віддаль від осі, яка проходить через центр ваги перерізу і-го стержня арматури і прямою, що проведена через найбільш віддалену точку стиснутої ділянки перерізу паралельно до нейтральної осі; _Ri, _еl,і - відносна висота стиснутої ділянки, яка відповідає напруженням в і-му стержні відповідно рівним R_si i R_si, значення _Ri визначають за формулою (16), значення _еl,і -також за формулою (16) приймаючи _SR = R_SI. Результати розрахунків експериментальних зразків колон за запропонованою методикою подано в таблиці 1.

Розділ 5. Подано методику визначення напружено-деформованого стану колон з високоміцною попередньо обтиснутою арматурою, яка базується на використанні реальних діаграм “” для бетону і арматури. В основу розрахункової моделі покладено дискретне представлення залізобетонного стержня та гіпотезу плоских перерізів. Прийнято, що колона складається з окремих елементарних ділянок “і” вздовж осі, елементарних шарів “к” по висоті перерізів та арматурної сталі “n”. Таким чином колона розбивається на елементарні прямокутні ділянки в площині дії зусиль. Внутрішні зусилля, деформації та напруження в межах ділянок елементарних шарів прийнято постійними. Їх величина встановлюється на рівні серединних площин. Для обчислень застосовано метод послідовних наближень. Передбачено поетапне завантаження колони. На кожному етапі завантаження визначають зведені до модуля деформацій характеристики перерізу.

(25)

(26)

(27)

(28)

За наявних значень зведених геометричних характеристик перерізів та внутрішніх зусиль в них N_i, M_i визначались відносні деформації бетону та арматури.

(29)

(30)

В першому наближенні значення реальних модулів деформації приймалися рівними початковим модулям пружності .

За отриманими відносними деформаціями _bi,k та _si,n на підставі реальних діаграм “” для бетону та арматури обчислювались фактичні напруження, що діють в кожній з елементарних ділянок. Для опису реальних діаграм прийнято параболічну залежність за рекомендаціями ФІП-ЕКБ:

(31)

За обчисленими напруженнями та деформаціями виконували корекцію значень січних модулів

.

З використанням уточнених січних модулів бетону та арматури знову вираховувалися зведені модулі деформацій, геометричні характеристики перерізів і цикл вичислювань повторювався до того часу, поки отримані результати не будуть достатньо близькими у двох сусідніх ітераціях. За точність розрахунку приймалось розходження 0,1%. Якщо на якійсь із елементарних ділянок деформації стиску перевищували граничне значення , вважалось, що пройшло руйнування бетону при стиску. Якщо деформації розтягу перевищували граничне значення вважалось, що в даному шарі пройшла тріщина, і цей шар виключався з роботи шляхом обнулення , відповідно якщо в арматурі деформації перевищували граничні значення фіксувалось її руйнування.

Обчислення переміщень осі стержня визначали на підставі відомого виразу Мора, замінивши інтегрування сумуванням

(32)

За допомогою запропонованої методики промодельовано роботу дослідних зразків колон на всіх стадіях завантаження. Отримані руйнівні зусилля показали достатньо точну сходимість з результатами експерименту, що підтверджує достатньо високу надійність запропонованої методики. На підставі цього з використанням описаної методики виконано числовий експеримент, в якому промодельовано роботу залізобетонних колон перерізом 200х200мм та довжиною 800, 2000, 3000мм з високоміцною попередньо обтиснутою арматурою при класах бетону В20...В40 та ексцентриситетах е=0...21см. Армування було аналогічне дослідним зразкам. На підставі числового експерименту встановлено, що найбільш раціональним є застосування запропонованого типу колон з високоміцною попередньо стиснутою арматурою при ексцентриситетах, що не виходять за межі ядра перерізу.

Загальні висновки

Розроблено новий спосіб армування залізобетонних колон для каркасних багатоповерхових будинків під великі навантаження (більше 5 МН) із застосуванням змішаного варіанту армування з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою і передачею зусилля попереднього обтиску не на бетон, а на арматуру низьких класів через опорні пластини просторового каркасу, внаслідок чого вони будуть попередньо розтягнутими. При цьому утворюється взаємно зрівноважений попередньо напружений арматурний каркас.

З метою максимального використання характеристик міцності попередньо розтягнутої арматури в стиснутих елементах її приймають із арматурної сталі класу А-ІІ і кутників ВСт3кп2, які враховуючи максимальну деформативність бетону на стиск (_і=200...25010^-5), в граничній стадії роботи колони будуть працювати на стиск.

Розроблена детально програма і методика експериментальних досліджень роботи стиснутих елементів із запропонованим способом армування для визначення дійсного напружено-деформованого стану при центральному та позацентровому стиску з ексцентриситетом (0,23...0,46) h₀ і гнучкості _h=4...15. В дослідних зразках колон застосовується високоміцна арматура Ат-У в комбінації зі стержнями класу А-ІІ та кутниками із сталі ВСт3кп2. В окремих зразках високоміцна арматура Ат-У застосовувалась без зчеплення з бетоном. В загальному було випробувано 5 серій колон в сумарній кількості 20 зразків.

Випробування зразків-колон при різних схемах прикладення навантаження дозволило визначити межі раціонального застосування запропонованого способу армування стиснутих елементів з використанням високоміцної арматури;

Аналізом результатів експериментальних досліджень підтверджено високу ефективність запропонованого способу армування залізобетонних стиснутих елементів просторовими каркасами з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою із м'яких сталей класу А-ІІ та ВСт3кп2.

В результаті виконаного попереднього обтиску стержнів високоміцної арматури Ат-У в граничній стадії роботи стиснутих елементів досягнуто максимального використання характеристик міцності високоміцної сталі. Застосування в просторових арматурних каркасах для сприйняття зусилля обтиску високоміцної арматури елементів із м'яких сталей (А-ІІ; ВСт3кл2) дало можливість також повністю використати характеристики її міцності на стиск. В граничній стадії роботи більшості експериментальних зразків було досягнуто одночасного руйнування бетону, високоміцної арматури Ат-У та арматури низьких класів.

Запропоновано рекомендації з розрахунку центрально і позацентрово стиснутих елементів з попередньо напруженими каркасами з врахуванням пружно-пластичної роботи матеріалів на базі рекомендацій СНиП 2.03.01-84 та результатів виконаних експериментальних досліджень. Порівняльний аналіз результатів теоретичних розрахунків за запропонованою методикою та експериментальних досліджень показали добре співпадіння даних, що підтвердило достатню достовірність методики розрахунку.

Розроблено методику визначення напружено-деформованого стану колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою на базі дискретного представлення конструкцій з використанням реальних діаграм - бетону та арматури за допомогою ЕОМ. Діаграми описані на основі параболічної залежності запропонованої ФІП-ЕКБ.

На базі розробленої методики визначення напружено-деформованого стану колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою проведено числовий експеримент, в ході якого промодельовано роботу колон при центральному та позацентровому стиску з ексцентриситетами до 210мм. Армування та розміри поперечного перерізу колон прийняті аналогічними дослідним зразкам. При цьому змінювався клас бетону в межах В20…В40. Довжина колон змінювалася в межах 800…3000мм. На підставі результатів числового експерименту встановлено, що найбільш раціональним є застосування колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою з невеликими ексцентриситетами, що не виходять за розміри межі ядра перерізу.

На підставі використання результатів виконаних експериментальних досліджень та рекомендацій з розрахунку стиснутих елементів з попередньо напруженими арматурними каркасами, запроектовано несучий залізобетонний каркас 20-и поверхового будинку з уніфікованим розміром поперечного перерізу колон 400х400 мм, постійним по всій висоті будинку, що дозволило отримати економію арматурної сталі в порівнянні зі звичайними способами армування до 30%. Крім цього за рахунок однотипних вузлів з'єднання ригелів з колонами досягнуто зменшення трудоємкості виконання робіт, кількості типорозмірів ригелів та інших конструкцій каркасу.

Результати досліджень та запропонованої методики розрахунку впроваджуються інститутом ВАТ “Львівтеплоелектротранс” в експериментальному проектуванні будівель енергетичного комплексу з колонами під високі навантаження.

Публікації

Оныськив Б.Н., Холод П.Ф. Эффективное использование высокопрочной арматуры в сжатых сталебетонных элементах. Республиканская научно-техническая конференция// Совершенствование железобетонных конструкций работающих на большие нагрузки и их внедрение в строительную практику. - Полтава, 1989, - С.142-143.

Оныськив Б.Н., Холод П.Ф. Прочность центрально сжатых коротких железобетонных элементов с предварительно обжатой высокопрочной арматурой. Весник ЛПИ № 233. “Резервы прогресса в архитектуре и строительстве”, Изд-во при ЛГУ изд.объединение “Вища школа”, 1989, - С.76-78.

Оныськив Б.Н., Холод П.Ф.Устойчивость высокопрочных стержней в железобетонных элементах с предварительно обжатой арматурой. Научно-практическая конференция// Исследование работы и применения в строительстве эффективных элементов и конструкций. Тезисы докладов. Ровно. 1990. - С.87-88.

Оныськив Б.Н., Холод П.Ф. Армирование сжатых элементов высокопрочной арматурой. ХХХІХ Konferencija Naukowa Komitetu Inz. Lodowej i Wodnej PAN i Komitetu Nauki PZITB “Problemy Naukowo Badawcze Budownictwa” Warszawa-Krrynica-Rzeszow, 1993, - S.161-168.

Ониськів Б.М., Холод П.Ф. Стиснуті сталебетонні елементи з арматурою високої міцності. Вісник ЛПІ № 252. “Резерви прогресу в архітектурі та будівництві”, Вид-во “Світ”, Львів, 1991, - С.80-82.

Ониськів Б.М., Холод П.Ф. Методика розрахунку коротких стиснутих залізобетонних елементів, армованих високоміцною арматурою. Вісник ЛПІ № 278. “Резерви прогресу в архітектурі та будівництві”, Вид-во “Світ”, Львів, 1994, - С.77-82.

Ониськів Б.М., Холод П.Ф. Залізобетонні колони для каркасних багатоповерхових будинків. Перша Всеукраїнська науково-технічна конференція// Науково практичні проблеми сучасного залізобетону. Збірник тез. Київ. 1996, С.330-333.

Ониськів Б.М., Холод П.Ф., Сорока Я.В., Канюк В.М., Гнатюк Т.О., Лівша П.Р. Результати досліджень в ділянці удосконалення залізобетонних конструкцій будинків та споруд і методів їх розрахунку. Збірник матеріалів конференції до 150-річчя ЛПІ “Проблеми теорії та практики будівництва”, Львів - 1994. - С. 228-242.

Холод П.Ф. Применение высокопрочной арматуры в сжатых елементах. Научно-техническая конференция посв. 100-летию со дня рождения проф., д.т.н. Курыло А.С., Львов, 1989, С.114-115.

Холод П.Ф., Гнатюк О.Т. Стиснуті сталебетонні елементи з арматурою високої міцності. Збірник матеріалів конференції присвяченої 25-річчю сталебетонних конструкцій із зовнішнім армуванням. Львів, 1996, - С.87-89..

Холод П.Ф. Вплив попереднього напруження робочої арматури на жорсткість колон. Вісник Рівненського державного технічного університету “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди”, збірник наукових праць, випуск 3. Рівне., 1999, С.279-284.

Анотації

Холод Петро Федорович. Міцність залізобетонних колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою - рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01.- Будівельні конструкції, будівлі та споруди - Державний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2000р.

В дисертації розглядаються експериментальні та теоретичні дослідження залізобетонних стиснутих елементів з новим способом армування просторовим каркасом з попередньо стиснутою високоміцною арматурою.

Розроблено конструкцію просторового арматуроного каркасу та виконано експериментальні випробування при центральному та позацентровому стиску 20 зразків колон в діапазоні гнучкостей _h=4...15. Запропоновано інженерний метод розрахунку колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою на базі існуючих норм. Розроблено методику визначення напружено-деформованого стану залізобетонних стиснутих елементів з різними способами армування з дискретним представленням конструкцій та використанням реальних діаграм “” бетону і арматури. Виконано порівняння результатів експериментальних та теоретичних досліджень, що підтвердило високу точність запропонованих методів розрахунку.

Ключові слова: попередній обтиск, просторовий арматурний каркас, несуча здатність, напружено-деформований стан, високоміцна арматура.

Cholod P.F. Strength of Reinforced Concrete Columns with Pre-compressed High Strength Reinforcement. - Manuscript.

Master of Technical Science thesis. Line number: 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Constructions. - State University "Lviv Polytechnic", Lviv, 2000.

This thesis focuses on the experimental and theoretical study of the reinforced concrete compressed members reinforced by spatial cage with pre-compressed high strength reinforcement.

During the study design of spatial reinforcing cage has been developed and experimental testing under central and eccentrical compression of 20 model specimens with flexibility in range ofXh=4...15 has been done. The engineering method on the basis of existing norms for analysis of columns with pre-compressed high strength reinforcement has been proposed. The way of determination of the stressed-deflected mode of reinforced concrete compressed members with different reinforcing using discrete modeling and real (j-s diagram of concrete and steel has been developed. Comparison of experimental and theoretical results has been done, that proved enough accuracy of proposed analysis method.

Key words: pre-compression, spatial reinforcing cage, bearing capacity, stressed-deflected mode, high strength reinforcement.

Холод Петр Федорович. Прочность железобетонных колонн с предварительно обжатой высокопрочной арматурой - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01.- Строительные конструкции, здания и сооружения - Государственный университет "Львовская политехника", Львов 2000 г.

Содержание диссертации. Предислове. Обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первой главе приведен обзор раннее выполненных работ, показавший, что использование традиционных решений при проектировании колонн многоэтажных каркасных зданий с нагрузкой более 5 МН является не эффективным из-за большого расхода металла в последнее время для повышения несущей способности колонн под большие нагрузки используют высокопрочную арматуру. Однако, широкого распространения этот способ армирования не получил из-за ограниченной предельной деформативности бетона. В связи с этим разработан новый способ армирования железобетонных колонн с пространственным арматурным каркасом с предварительно обжатой высокопрочной арматурой. Реактичное усилие от ее обжатия воспринимается арматурой из мягких сталей, которая объединена с высокопрочной торцевыми жесткими пластинами.

Во второй главе разработана программа и методика экспериментальных исследований работы сжатых елементов с предлагаемым способом армирвоания для определения действительного напряженно-деформированного состояния при центральном и внецентренном сжатии с эксцентриситетом (0,23…0,46) h0 и гибкостями _h=4…15. В опытных образцах колонн использовалась высокопрочная арматуры А_т-V в комбинации со стержнями класса А-II и уголками из стали ВСт 3 кп 2. В отдельных образцах высокопрочная арматура А_т-V использовалась без сцепления с бетоном. Всего было испытано пять серий колонн в общем количестве 21-го образца.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментальных исследований, кторый показывает высокую эффективность предлагаемого способа армирования железобетонных сжатых элементов пространственными арматурными каркасами с предварительно обжатой высокопрочной арматурой. В результате выполненного предварительного обжатия высокопрочной арматуры А_т-V в предельной стадии работы сжатыъ элементов достигнуто максимальное использование характеристик прочности высокопрочной стали. В предельной садии работы в большинстве экспериментальных образцов было достигнуто одновременное разрушение бетона, высокопрочной арматуры А_т-V и арматуры из мягких сталей.

В четвертой главе разработаны рекомендации по расчету центрально и внецентренно сжатых элементов с предварительно напряженными каркасами с учетом упруго-пластической работы материалов. Сравнительный анализ результатов теоретических расчетов за предлагаемой методикой и экспериментальных исследований показал хорошее совпадение данных.

В пятой главе разработана математическая модель, которая базируется на дискретном представлении конструкции с использованием реальных диаграмм - бетона и арматуры, позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние элементов на протяжении всего процесса нагружения. Выполнен числовой эксперимент с применением разработанной математической модели. В числовом эксперименте рассматривалась величина эксцентриситета от 0 до 210 мм, меняя класс бетона от В20 до В40. Оптимальными оказались колонны с предварительно напряженной высокопрочной арматурой с небольшими эксцентриситетами, которые, как правило, применяются в многоэтажных каркасных зданиях.

В выводах отмечается преимущество предлагаемого нового способа армирвоания колонн с предварительно обжатой высокопрочной арматурой.

Ключевые слова: предварительное обжатие, пространственный арматурный каркас, несущая способность, напряженно-деформированное состояние, высокопрочная арматура.

Размещено на Allbest.ru

...