Стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном

Размещено на http://www.allbest.ru/

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка

УДК 624.015.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Нижник Олександр Васильович

Полтава 2005

Загальна характеристика роботи

складений двотавр порожнина бетон

Актуальність роботи. Сталезалізобетонні конструкції отримали широке розповсюдження в усьому світі, значний досвід із дослідження та впровадження сталезалізобетонних конструкцій накопичено в нашій країні. Найбільше розповсюдження отримали конструкції із зовнішнім армуванням (трубобетон, брускові конструкції), особливістю роботи яких є те, що в бетоні, в процесі завантаження, виникає об'ємно-напружений стан. У багатьох випадках можливе застосування інших конструктивних рішень, які дозволяють значно спростити технологію виготовлення окремих несучих елементів та зведення всієї споруди, підвищити техніко-економічну ефективність конструкцій. Такими конструкціями є стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. Ці конструкції мають суттєві переваги при проектуванні та будівництві різних будівель та споруд. Тому, дослідження міцності й деформацій елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, та розробки методики їх розрахунків, є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Робота виконана на кафедрі конструкцій із металу, дерева і пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка. Дослідження виконані згідно плану робіт кафедри щодо дослідження та впровадження у будівництво сталезалізобетонних конструкцій. Дисертація виконувалася в рамках держбюджетних дослідних тем „Розробка методів розрахунку, проектування і будівництва трубобетонних конструкцій на основі дослідження їх дійсної роботи” (державний реєстраційний номер 0193U009180), „Дослідження об'ємного напружено-деформованого стану елементів із стальних труб, заповнених бетоном при складних навантаженнях” (державний реєстраційний номер 0196U006060).

Мета роботи полягає в розробці методики розрахунку міцності та оцінки напружено-деформованого стану стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, впровадження результатів роботи у виробництво.

Для досягнення даної мети в дисертаційній роботі поставлено такі задачі.

1. Виявити та обґрунтувати ефективні способи забезпечення сумісної роботи сталевого складеного двотавра з бетоном.

2. Провести експериментальні дослідження несучої здатності та деформування запропонованих конструкцій з використанням різних типів засобів для забезпечення сумісної роботи сталевого складеного двотавра з бетоном, різних класів бетону по міцності, різних висот стійок та ексцентриситетів прикладання навантаження.

3. Розробити методи оцінки напружено-деформованого стану та розрахунку міцності досліджуваних конструктивних елементів.

Об'єкт дослідження - стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Предмет дослідження - напружено-деформований стан та міцність елементів при дії центрального та позацентрового навантаження стиску.

Метод дослідження - проведення експериментальних та теоретичних досліджень напружено-деформованого стану та міцності при дії навантаження стиску.

Наукову новизну отриманих результатів складають:

1. Запропоновані нові способи армування бокових порожнин складених сталевих двотаврів, які забезпечують сумісну роботу бетону зі сталевим двотавром.

2. Виявлені експериментальними дослідженнями характерні форми руйнування зразків стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

3. Визначений вплив різних засобів забезпечення сумісної роботи бетону зі сталевим складеним двотавром, а також різних класів бетону по міцності, висот стиснутих елементів та способів прикладання навантаження на деформативність і несучу здатність досліджуваних елементів.

4. Розроблені методи розрахунку міцності та оцінки напружено-деформованого стану стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Практичне значення отриманих результатів:

1. За результатами проведеної роботи сформульовані рекомендації щодо раціональних способів застосування сталезалізобетонних стійок зі сталевих двотаврів із заповненими бетоном боковими порожнинами.

2. Запропонована методика визначення несучої здатності стійок зі сталевих двотаврів із заповненими бетоном боковими порожнинами із урахуванням їх геометричних параметрів та фізико-механічних характеристик матеріалів.

3. На основі запропонованої методики розрахунку розроблена програма для оцінки напружено-деформованого стану досліджуваних конструкцій за допомогою ЕОМ.

4. Здійснене проектування несучих стиснутих конструкцій, які складаються зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Особистий внесок полягає в наступному:

- отримані результати експериментальних досліджень несучої здатності та деформативності стиснутих складених сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном;

- запропоновано метод оцінки напружено-деформованого стану стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном;

- розроблена методика визначення несучої здатності досліджуваних елементів;

- здійснене дослідне проектування несучих стиснутих конструкцій зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародній конференції з будівельних конструкцій „Krynica 2003” в Польщі, на Третій Всеукраїнській конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м. Львів) у 2003 році, на VIII Українській науково-технічній конференції „Металеві конструкції: погляд у минуле і майбутнє” (м. Київ) у 2004 році, на VI науково-технічній конференції „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” (м. Кривий Ріг) у 2004 році, на міжнародній конференції „Будівництво в Європі” (м. Кєльце, Польща), на IV Всеукраїнській науково-технічній конференції у 2005 році в м. Суми, на 53 - 55 наукових конференціях Полтавського НТУ в 2002 - 2005 роках.

Публікації

Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в 9 надрукованих працях та в 3 патентах на винаходи.

Обсяг і структура роботи

Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків і рекомендацій, списку використаних джерел із 195 найменувань і додатків.

Робота виконана на кафедрі конструкцій із металу, дерева і пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка під керівництвом д.т.н., професора Л.І. Стороженка.

Основний зміст роботи

Перший розділ дисертації присвячений вивченню існуючих типів сталезалізобетонних конструкцій і методів їх розрахунку. Питання дослідження і теорії розрахунку сталезалізобетонних конструкцій з різними типами армування та пов'язаних з ними комбінованих конструкцій розглянуті в роботах Ю.Г. Аметова, О.Я. Берга, П.Ф.Вахненка, О.О. Гвоздєва, Г.А. Генієва, О.А. Долженка, В.І. Єфименка, О.І. Кікіна, Ф.Є.Клименка, Л.К. Лукші, В.А. Росновського, Р.С. Санжаровського, О.В. Семка, Л.І.Стороженка, В.М.Сурдіна, М.М. Стрелецького, В.А. Трулля, Е.Д.Чихладзе, О.Л. Шагіна, В.М.Фонова та інших дослідників.

У цих роботах достатньо широко освітлені проблеми сталезалізобетону, але значна кількість практично та теоретично важливих задач все ще потребують вирішення, а саме - не вивчені питання розрахунку та конструювання елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном.

Другий розділ присвячений конструюванню стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, і проблемі забезпечення сумісної роботи бетону і сталі та рівностійкості конструкцій в цілому.

Після аналізу накопиченого досвіду застосовані наступні анкерні засоби для забезпечення сумісної роботи бетону й сталі в стиснутих конструкціях зі складених двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном:

1) за допомогою арматурного каркасу, хомути якого приварені до стінки;

2) за допомогою арматурного каркасу, поздовжні стрижні якого приварені до поличок двотавра;

3) за допомогою анкерних хомутів, приварених до сталевих поперечних ребер;

4) за допомогою поперечних ребер із просічно-витяжного листа;

5) за допомогою поперечних ребер із гладких сталевих листів.

З точки зору влаштування, найдоцільнішим є застосування поперечних ребер зі звичайного гладкого листа, але при цьому можуть виникнути питання щодо сприйняття зусиль відриву бетону від сталевого профілю.

Для визначення відстані між поперечними ребрами, які повинні забезпечити сумісну роботу бетону й сталі в стиснутій сталезалізобетонній конструкції, розглянуто напружений стан бетонного блоку, що обмежений в стиснутому елементі стінкою, полицями та ребрами складеного двотавра. Із рівності зусиль утримання бетонного блоку ребрами та відштовхування з боку стійки, отримана залежність для визначення мінімальної відстані між поперечними ребрами, коли забезпечується надійне анкерування бетону в порожнині:

(1)

де - коефіцієнт тертя бетону по сталі;

- коефіцієнт поперечних деформацій сталі;

- ширина бетонного блоку в порожнині складеного двотавра.

Отримано значення висоти перерізу при забезпеченні умови рівностійкості, розглянутої стиснутої конструкції (л_х = л_у). Установлено, що при заповненні бокових порожнин двотавра бетоном, рівностійкий переріз має форму квадрата. Враховуючи, що дослідні зразки при випробуванні можуть бути шарнірно обпертими відносно осі х і жорстко защемлені відносно осі у, у результаті чого l_0x = 2l_0у, співвідношення сторін перерізу h/b може дорівнювати 2.

Третій розділ присвячений розробленню програми експериментальних досліджень дослідних зразків щодо визначення їх несучої здатності та деформативності при стиску, визначенні фізико-механічних властивостей матеріалів та методиці проведення експериментальних досліджень.

Для дослідження особливостей роботи стиснутого елемента із застосуванням стрижневої арматури для забезпечення сумісної роботи бетону і сталі було виготовлено першу групу зразків: зі сталевих прокатних двотаврів №20 висотою 200 см з боковими порожнинами, заповненими бетоном класу В30 за міцністю, армованих зварними арматурними каркасами з поздовжньою арматурою періодичного профілю та П-подібними хомутами, які приварені до стінки двотавра або до внутрішніх граней поличок з поперечним армуванням хомутами - серії С-1; СБ-ІІ; С5-ІІІ.

Для дослідження впливу на роботу стиснутого елемента способу забезпечення сумісної роботи бетону і сталі за рахунок застосування поперечних ребер-анкерів без використання стрижневої арматури була прийнята до випробовування друга група зразків, а саме - сталезалізобетонні зразки висотою 150 см зі сталевих складених двотаврів із поперечним перерізом 120Ч200 мм з однаковими фізико-механічними характеристиками застосованих матеріалів, але з різними поперечними ребрами-анкерами - серія К.

Для більш глибокого дослідження роботи стиснутих елементів, в залежності від різних факторів, було заплановано та виготовлено третю основну групу експериментальних зразків: стиснуті елементи висотою 50, 100 150, 200 см, з поперечним перерізом 120Ч200 мм зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном трьох різних класів за міцністю, та двома типами поперечних ребер - серії КСБ-1; КСБ-2; КСБ-3; КСБ-4. Були також досліджені стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів висотою 50-200 см без бетону - серія КС.

Для одержання даних про фізико-механічні властивості застосованих матеріалів була використана стандартна методика їх випробовування. Випробування проводились на пресі ПММ-250. Деформації при експериментальних дослідженнях вимірялися за допомогою електротензорезисторів та індикаторів годинникового типу. Показання з електротензорезисторів знімалися за допомогою приладу АИД-4. Для заміру вигинів в середній частині елементів використовувалися прогиноміри Максимова.

В четвертому розділі дисертаційної роботи приведені результати експериментальних досліджень, проаналізована несуча здатність та характер руйнування дослідних зразків, їх напружено-деформований стан та ефективність способів забезпечення сумісної роботи бетону й сталі, а також відзначалися особливості деформування зразків, інтенсивність зростання їх прогинів.

В результаті проведення експериментальних досліджень зразків, метою яких було виявити ефективний спосіб забезпечення сумісної роботи бетону зі сталевим двотавром, встановлено, що при затвердінні бетон міцно зчіплюється зі сталевим профілем стиснутого елемента та його поздовжніми арматурними стержнями (перша група зразків, серія СБ) або поперечними ребрами (друга група зразків серія К), і під впливом зовнішніх зусиль обидва матеріали працюють сумісно.

В процесі дослідження на всіх ступенях завантаження зразків серії К відмічались особливості розподілення деформацій по висоті зразка, розвитку тріщин бетону, а також інтенсивність росту прогинів елемента. Аналізуючи характер руйнування бетону конструкції, слід відзначити, що під впливом значного навантаження починали утворюватись тріщини в бетоні в місцях кріплення поперечних ребер з поступовим збільшенням деформацій. Для зразків серій К-1 та К-3 характерно те, що часткове відшарування бетонного ядра в середній частині зразка почало відбуватися після досягнення навантаження, що діяло на конструкцію, в 700 кН, а для елементів серії К-2 подібні деформації виникли після навантаження в 600 кН, що, відповідно, склало 82% і 66% від граничного значення.

Ефективними засобами для забезпечення сумісної роботи бетону і сталевого двотавра є поперечні ребра зі звичайного сталевого та просічно-витяжного листів. Застосування в якості поперечних ребер листів із арматурним хомутом дещо ускладнює процес виготовлення конструкції, а також при цьому збільшуються витрати матеріалів.

В даній роботі в якості граничних значень по несучій здатності фіксувалися зусилля, що відповідали максимальному навантаженню N_р, яке здатний витримувати стиснутий елемент, і навантаженню, при якому в найбільш стиснутих волокнах досліджуваних конструкцій виникали поздовжні деформації, що відповідали початку текучості сталевого профілю N_у. Значення несучої здатності досліджуваних елементів коливалися в значних межах в залежності від гнучкості елемента, класу бетону за міцністю, ексцентриситета прикладання навантаження і в незначних межах в залежності від способу поперечного анкерування.

Різниця між несучою здатністю N_р та N_у (N_р/N_у) для досліджуваних елементів значною мірою залежить від міцності застосованого бетону і складає 38% для зразків серії СБ; 43% - для зразків серії К; 49% - для зразків серії КСБ-1; 47% - для зразків серії КСБ-2; 44% - для зразків серії КСБ-3 та 48% - для конструкції серії КСБ-4.

Зі збільшенням гнучкості сталезалізобетонного зразка з бетоном класу В30 за міцністю від 4,2 до 16,6 несуча здатність зменшується на 25%, а сталевого порожнього (без бетону) - на 38%.

Зі збільшенням початкового ексцентриситету прикладання навантаження на 100 мм несуча здатність сталезалізобетонних конструкцій зменшувалась на 22-30% .

Несуча здатність сталезалізобетонних стійок залежить від класу бетону за міцністю. Так, несуча здатність сталезалізобетонних елементів з бетоном класу В40 виявилась на 12-16% вищою, ніж таких же елементів з бетоном класу В30. Максимальне руйнівне навантаження для сталезалізобетонного зразка з бетоном класу В30 виявилось на 70-75% вищим від такого ж навантаження для сталевого порожнього (без бетону) профілю.

З аналізу цих залежностей випливає, що на початковій стадії прикладання навантаження в сталевому складеному двотаврі виникають переважно пружні деформації. Із збільшенням навантаження згинальний момент збільшується не тільки зі зростом зусилля, але й зі збільшенням ексцентриситету, завдяки прогинам зразків та пластичним деформаціям, залежність N - е приймає криволінійний характер. Якщо для сталевих зразків максимальні відносні поздовжні деформації склали 130Ч10^-5, то для сталезалізобетонних вони досягали 230Ч10^-5 і зменшувались зі збільшенням міцності бетону. В цих випадках спостерігалася майже лінійна залежність поздовжніх деформацій від зовнішнього навантаження до рівня навантаження 65-70% від руйнуючого.

З цих залежностей видно, що менш деформативними виявилися коротші зразки. Зі збільшенням гнучкості елементів деформації збільшувались на 8-28%. Граничні відносні поздовжні деформації під час руйнування зразка серії КСБ-1-1 склали 165Ч10^-5. В зразках серій КСБ-2-4, КСБ-3-2, КСБ-4-1 граничні деформації склали відповідно 180, 200, 225Ч10^-5.

Інтенсивність росту вигинів до навантаження 0,6-0,7 від руйнуючого була прямолінійною, їх значення були незначними, що пояснюється сумісною роботою бетону й сталі. Подальше збільшення навантаження призводить до інтенсивного збільшення вигинів внаслідок виникнення тріщин у розтягнутому бетоні, зростання його непружніх деформацій, а також текучості сталевого складеного двотавра. Це явище пояснюється особливістю деформування бетону в умовах часткового обтиснення сталевим профілем та впливом бетону на деформативність всієї конструкції в цілому. Сталезалізобетонні конструкції з ексцентриситетом прикладання навантаження мали граничні вигини в 3-4 рази більші, ніж центрально стиснуті елементи. Серед зразків з різним класом бетону більші вигини (5-10%) мали елементи з бетоном В20.

Руйнування всіх сталезалізобетонних конструкцій відбувалося, в цілому, однаково, пластично, характеризуючись утворенням тріщин та частковим відшаруванням поличок складеного двотавра від бетону. Втрата загальної стійкості сталезалізобетонних елементів супроводжувалась інтенсивним утворенням ліній Чернова-Людерса на поличках сталевого профілю, а також значним зростанням прогинів конструкції. Несуча здатність та жорсткість сталевих складених двотаврів в результаті заповнення його бокових порожнин бетоном збільшується на 65-80% в залежності від міцності застосованого бетону. Ребра жорсткості зі сталевих суцільних та просічно-витяжних листів забезпечують сумісну роботу бетону зі сталевим профілем, а їх тип не впливає на несучу здатність сталезалізобетонних елементів. На всіх етапах завантаження сталезалізобетонних зразків бетон та сталеві профілі працювали сумісно.

У п'ятому розділі наведені методи розрахунку стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, а також результати упровадження їх у виробництво.

Для визначення несучої здатності позацентрово стиснутих сталезалізобетонних елементів рекомендується користуватись одним із трьох методів розрахунку, які відрізняються точністю відтворення дійсної картини деформування елементів та граничною межею заборони подальшої експлуатації.

Метод за деформованою схемою найбільш точно відображає дійсну картину деформування елементів. Він допускає роботу стиснутих елементів в пружно-пластичній стадії до моменту досягнення граничних деформацій. Згідно цього методу визначається схема деформування геометричної осі елементів під дією навантаження з урахуванням фізико-механічних характеристик кожної елементарної ділянки сталевого двотавра, стержньової арматури та бетону.

Розрахунок несучої здатності сталезалізобетонних стиснутих елементів виконується з урахуванням деформаційної моделі поперечного перерізу елементів, що включають в себе:

- рівняння рівноваги зовнішніх та внутрішніх сил в нормальному перерізі;

- умови деформування нормального перерізу;

- діаграми стану (деформування) бетону, арматури, сталі.

При розрахунку сталезалізобетонних конструкцій в загальному випадку, переріз конструкції розглядається як набір m елементарних ділянок бетону (з індексом j) та з p елементарних ділянок сталевої частини конструкцій (з індексом k). У загальному випадку рівняння рівноваги мають вигляд:

(2)

(3)

де N - зовнішня поздовжня сила;

е - відстань від сили N до вибраної осі, що розташована в межах перерізу конструкції, відносно якої визначаються моменти внутрішніх сил в бетоні та сталі;

A_bj, A_sk, - площа елементарних ділянок відповідно бетону та сталі;

у_bj, y_sk - відстань від вибраної моментної осі до центра ваги елементарних ділянок (відповідно бетону та сталі);

у_bj, у_sk - напруження на елементарних ділянках відповідно бетону та сталі.

Умова деформування нормального перерізу конструкції приймається у вигляді плоского повороту з лінійним розподілом деформацій за висотою перерізу від впливів, що розглядаються. Деформації бетону е_bj , сталі е_sk визначаються за формулами:

(4)

(5)

де е₀ - поздовжня деформація на рівні вибраної осі;

- кривизна в розглянутому перерізі.

При обрахуванні зусиль в перерізі стиснутого сталезалізобетонного елемента напруження в бетоні та сталі визначаються за деформаціями при допомозі діаграм стану матеріалів, що пов'язують напруження з деформаціями. Діаграми стану представлені у вигляді системи вузлових (базових) точок, які визначають найбільш характерні стадії напружено-деформованого стану матеріалів. Параметрами базової точки діаграм стану матеріалів прийняті нормативні опори матеріалів і відповідні їм деформації. Значення параметрів додаткових базових точок визначаються як похідні від параметрів основної базової точки.

Розрахункові значення параметрів діаграм стану матеріалів визначаються шляхом ділення нормативних значень міцнісних характеристик основної базової точки діаграм на коефіцієнти безпеки, що приймаються за нормами проектування сталевих та залізобетонних конструкцій. Для стиснутого бетону приймається діаграма стану у вигляді трьох прямолінійних похилих та горизонтальних ділянок, що з'єднують базові точки. Для сталі з фізичною межею текучості діаграми стану приймаються у вигляді двох прямолінійних ділянок - похилої та горизонтальної, що з'єднують базові точки.

Діаграми стану сталі та арматури при розтязі та стиску приймаються однаковими. Розрахунок напружено-деформованого стану стиснутого сталезалізобетонного елемента при відомих зовнішніх зусиллях N виконується, виходячи з умови рівноваги:

(6)

(7)

Коефіцієнти , , , визначаються за формулами, наведеними в дисертації.

Для визначення напружено-деформованого стану стиснутих елементів було складено блок-схему та програму з використанням ЕОМ.

Розрахунок на міцність виконується при умові, коли зусилля від розрахункового навантаження не перевищує граничних зусиль, котрі можуть бути сприйняті перерізом бетону, сталі та арматури.

Метод розрахунку за приведеним перерізом дозволяє визначити несучу здатність позацентрово стиснутих елементів до моменту появи пластичних деформацій і враховує зміну геометричної осі елементу як для однорідного стержня, шляхом використання в розрахунку гнучкості стиснутого елемента. Розрахунок міцності за приведеним до сталі перерізом сталезалізобетонних елементів, що працюють на позацентровий стиск з ексцентриситетами, які не перевищують випадковий, рекомендується виконувати за формулою

, (8)

де - коефіцієнт умов роботи конструкції, що визначається у відповідності до СНиП ІІ-23-81*;

ц_е - коефіцієнт поздовжнього згину;

R_y - розрахунковий опір сталевого елемента при роботі на розтяг;

A_red - приведена площа перерізу сталезалізобетонного елемента, яка визначається за формулою:

Розрахунок позацентрово стиснутих елементів ведеться згідно формул СНиП ІІ-23-81*: визначається коефіцієнт поздовжнього згину ц_е в залежності від умовної гнучкості та приведеного відносного ексцентриситета.

Розрахунок стиснутих сталезалізобетонних елементів зі складених сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, може виконуватись за граничними зусиллями з застосуванням двох умов рівноваги. В цьому методі умовно приймається рівномірний розподіл навантаження на всі елементарні ділянки. Розрахунок проводиться за умови досягнення величиною внутрішніх напружень відповідного рівня розрахункового опору на кожній елементарній ділянці.

У загальному випадку розрахунок міцності прямокутних перерізів стиснутих сталезалізобетонних елементів, як і для залізобетону з жорстким армуванням, виконується в залежності від висоти стиснутої зони х, що визначається за формулою, отриманою з рівняння нулю суми проекцій всіх зусиль на вертикальну вісь:

; (9)

де b - ширина перерізу стиснутого бетону;

R_b, R_s - розрахункові опори відповідно стиску бетону, розтягу (стиску) сталевого елемента.

За наведеними методиками були розраховані несуча здатність та деформації стиснутих сталезалізобетонних експериментальних зразків. Доведено, що експериментальні значення задовільно співпадають із результатами експерименту. Запропоновані інженерні методи розрахунку конструкцій повністю враховують реальну роботу стиснутих сталезалізобетонних елементів та дозволяють з необхідною точністю визначити їх несучу здатність.

Дослідження стиснутих конструктивних елементів зі складених сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, супроводжувалися проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво. Згідно завдання Полтавського заводу збірних залізобетонних конструкцій №7, для багатоповерхових промислових будівель серії 1.020-1/83 були запроектовані сталезалізобетонні колони замість збірних залізобетонних колон. За завданням Світловодського заводу швидкомонтуємих конструкцій (Кіровоградська обл.) були запроектовані сталезалізобетонні колони зі складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, у якості несучих конструкцій для складу контейнерів продбази в м. Запоріжжі. Результати досліджень, отриманих у дисертації, були використані при підсиленні сталевих колон пресового цеху ВАТ „Дніпровагонмаш”. Сталеві складені колони були підсилені шляхом заповнення бокових порожнин бетоном.

Загальні висновки

Результатом дисертації є дані про роботу стиснутих сталезалізобетонних елементів із сталевих складених двотаврових профілів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. Проведені дослідження дозволили виявити особливості поведінки стиснутих сталезалізобетонних елементів під навантаженням у залежності від міцності бетону й висоти зразків, розробити методи їх розрахунків та сформулювати наступні висновки.

1. Рівностійкість центрально стиснутого елемента зі складеного двотавра з порожнинами, заповненими бетоном забезпечується при перерізі елемента, наближеного до квадратного.

2. Всі запропоновані та досліджені в дисертації методи анкерування забезпечують сумісну роботу сталі та бетону, що заповнює бокові порожнини в складеному двотаврі. На практиці будівництва рекомендується застосовувати найпростіший засіб, що полягає в установці між полицями двотавра поперечних ребер із гладких сталевих листів.

3. На всіх етапах завантаження сталь і бетон у стиснутому елементі зі сталевого складеного двотавра з боковими порожнинами, заповненими бетоном, працювали сумісно. На перших етапах завантаження залежність між зусиллями та деформаціями була практично лінійною, кривизна цієї залежності спостерігалася на завершальних етапах завантаження.

4. Бетон, що заповнює бокові порожнини складеного двотавра, при стисненні елемента перебуває в об'ємному напруженому стані, що є позитивним із точки зору роботи бетону та конструкції в цілому.

5. Руйнування стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, відбувалося при одночасному виколюванні бетону та втрати місцевої стійкості сталевого листа полиці в найбільш напруженому волокні.

6. Завдяки заповненню бетоном бокових порожнин, несучу здатність сталевого складеного двотавра можна збільшити в 1,7 - 2 рази. При цьому значно підвищується як місцева, так і загальна стійкість сталевого двотавра.

7. У дисертації розроблені різні методики розрахунку стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном: за деформованою схемою, за приведеними перерізами, за граничними навантаженнями. При розрахунку за всіма методами отримано задовільні співпадання експериментальних та теоретичних значень. Метод за приведеними перерізами доцільно застосовувати при попередніх наближених розрахунках.

8. Упровадження результатів дослідження, отриманих в дисертації, свідчать про те, що зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, можна проектувати несучі колони будівель, які мають суттєві переваги в порівнянні зі сталевими та залізобетонними. При проектуванні цих конструкцій рекомендується застосовувати методи розрахунку, запропоновані в цій роботі.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Нижник О.В. Стиснуті сталезалізобетонні елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Зб. наук. праць “ Будівельні конструкції ”. Вип. 59, Книга 2. - К.: НДІБК, 2003. - С. 45-50.

2. Нижник О.В. Несуча здатність конструктивних елементів із складених сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Зб. наук. ст. Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація. Вип. 6. - Кривий Ріг: КТУ, 2004. - С.42-48.

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

4. Стороженко Л.І., Яхін С.В., Нижник О.В. Експериментальні дослідження згинальних несучих конструкцій із сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Сб. научн. трудов “Современные строительные конструкции из металла и древесины”. - Одесса: ОГАСиА, 2003. - С. 229-235. (Особистий внесок: проведено аналіз несучої здатності та руйнування конструкції, що досліджувалась).

5. Стороженко Л.І., Нижник О.В. Стиснуті сталезалізобетонні елементи зі сталевого складеного двотавра із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ: ПДАБтаА, 2003. - №10-11. - С. 99-104. (Особистий внесок: проведено аналіз несучої здатності та особливості деформування досліджуваних конструкцій).

6. Стороженко Л.І., Нижник О.В. Інженерні методи розрахунку стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Зб. наук. праць “ Будівельні конструкції ”. Вип. 62, Том 1. - К.: НДІБК, 2005. - С. 318-322. (Особистий внесок: проведено порівняльний аналіз результатів розрахунку за інженерними методами з експериментальними значеннями несучої здатності стиснутих елементів).

7. Стороженко Л.І., Нижник О.В., Яхін С.В. Збірна сталезалізобетонна балка // Деклараційний патент на винахід №59721 А. - Держ. Департамент інтелектуальної власності, 2003. (Особистий внесок: сформульована сутність винаходу).

8. Стороженко Л.І., Нижник О.В. Сталезалізобетонна стійка зі сталевого складеного двотавра з боковими порожнинами, заповненими бетоном // Деклараційний патент на винахід №65703 А. - Держ. Департамент інтелектуальної власності, 2004. (Особистий внесок: сформульована сутність та оформлена необхідна документація).

9. Стороженко Л.І., Нижник О.В. Несуча сталебетонна конструкція // Деклараційний патент на винахід №65704 А. - Держ. Департамент інтелектуальної власності, 2004. (Особистий внесок: сформульована сутність та оформлена необхідна документація).

10. Нижник О.В. Стиснуті елементи із сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном // Сб. докл. “Металлические конструкции: взгляд в прошлое и будущее”. Часть 2. - К.: “Сталь”, 2004. - С. 9 - 14.

11. Storozhenko L. I., Yakhin S.V., Nizhnik O. V. Experimental research of bendable framings made from steel double-T with lateral cavity filled with concrete - XLIX Konferencja Naukowa. - Krynica. 2003. - P. 237-244. (Особистий внесок: проведено аналіз несучої здатності та руйнування згинальних елементів зі сталевих прокатних двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном).

12. Storozhenko L. I., Nizhnik O. V. Compressed elements produced from composite steel double-T with leteral free spaces filled by concrete - V Miedzynarodowe Seminarium Naukowe „Budownictwo” w Europie. - Kielce, 2004. P. 9 - 15. (Особистий внесок: проведено аналіз несучої здатності та руйнування конструкції, що досліджувалась).

Анотація

Нижник О.В. Стиснуті елементи зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, 2005.

Дисертацію присвячено питанням дослідження несучої здатності та деформативності і розробленню теоретичних методів розрахунку несучої здатності та визначення напружено-деформованого стану стиснутих елементів зі сталевих складених двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. Проведені експериментальні дослідження стиснутих конструкцій різних висот зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, різних класів за міцністю та різними типами засобів забезпечення сумісної роботи бетону і сталі на дію навантаження з різними ексцентриситетами прикладання. Зазначено особливості роботи стиснутих елементів під навантаженням. Надано рекомендації щодо розрахунку досліджуваних конструкцій за деформованою схемою та інженерними методами. Дослідження стиснутих конструктивних елементів із складених сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном, супроводжувалися проектуванням реальних конструкцій та впровадженням їх у будівництво, що дозволило зменшити витрати матеріалів і вартість будівництва.

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

Аннотация

Нижник А.В. Сжатые элементы из стальных составных двутавров с боковыми полостями, заполненными бетоном. - 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, 2005.

Диссертация посвящена вопросам исследования несущей способности, деформативности и разработке теоретических методов расчета несущей способности, а также определению и оценке напряженно-деформированного состояния сжатых элементов из стальных составных двутавров из боковыми полостями, заполненными бетоном. Проведен обзор отечественных и зарубежных исследований, в которых изучались сжатые сталежелезобетонные элементы, рассмотрены существующие методы расчета таких конструкций. Показано, что вопросы расчета сжатых элементов из стальных составных двутавров из боковыми полостями, заполненными бетоном, изучены недостаточно. Поэтому в настоящей работе были поставлены такие задачи: определить эффективные способы обеспечения совместной работы стального составного двутавра с бетоном; провести экспериментальные исследования несущей способности и деформирования предложенных конструкций с использованием разных типов способов обеспечения совместной работы бетона и стали, разных классов бетона по прочности, высот стоек и эксцентриситетов приложения нагрузки; разработать методы оценки напряженно-деформированного состояния и расчета прочности исследуемых конструкций.

Для исследования сжатых сталежелезобетонных элементов были изготовлены три группы образцов: из стальных прокатных двутавров № 20 высотой 200 см с боковыми полостями, заполненными бетоном класса В30 по прочности, армированные сварными арматурными каркасами; сжатые элементы высотой 150 см из стальных составных двутавров из поперечным сечением 120Ч200 мм и разными поперечными ребрами-анкерами; сжатые элементы высотой 50, 100, 150, 200 см из стальных составных двутавров с боковыми полостями, заполненными бетоном трех разных классов по прочности и двумя типами поперечных ребер. При проведении экспериментальных исследований замерялись деформации бетона и стали, а также выгибы конструкции.

В результате проведения экспериментальных исследований установлено, что при затвердении бетон прочно сцепляется со стальным профилем сжатого элемента и его арматурным каркасом или поперечными ребрами и под действием внешних усилий оба материала работают совместно. Эффективными способами обеспечения совместной работы бетона и стали оказались поперечные ребра из обычного стального и просечно-вытяжного листов. Было отмечено, что разрушение сжатых элементов сопровождалось одновременным отслоением бетона и потерей местной устойчивости стального листа полки в наиболее напряженном волокне. Бетон, который заполняет боковые полости составного двутавра, при воздействии сжимающей нагрузки находится в объемном напряженном состоянии. Выявлено, что благодаря заполнению бетоном боковых полостей несущую способность составного двутавра можно увеличить в 1,7 - 2 раза. При этом значительно повышается как местная, так и общая устойчивость двутавра.

Разработаны методы расчета сжатых элементов из стальных двутавров с боковыми полостями, заполненными бетоном. Для определения несущей способности внецентренно сжатых сталежелезобетонных элементов рекомендуется пользоваться одним из трех методов расчета: по деформированной схеме, по приведенным сечениям и по предельным усилиям. Представленные методы расчета отличаются точностью отображения реальной картины деформирования элементов и предельной границей запрета дальнейшей эксплуатации. Для определения напряженно-деформированного состояния сжатых элементов была составлена программа с использованием ЭВМ.

По приведенным методикам были рассчитаны несущая способность и деформации исследуемых элементов. Из сравнения результатов расчета с данными экспериментов вытекает, что они отличаются не более, чем на 4 - 8%. Предложенные методы расчета конструкций полностью учитывают реальную работу сжатых элементов и позволяют с необходимой точностью определить их несущую способность.

Основные результаты работы нашли внедрение при проектировании сжатых элементов несущих конструкций, что позволило уменьшить затраты материалов и снизить стоимость строительства.

Ключевые слова: составной двутавр, сталежелезобетонные конструкции, напряженно-деформированное состояние, несущая способность.

Annotation

Nizhnik O.V. Compressed elements produced from composite steel double-T with lateral free spaces filled by concrete. - Manuscript.

Thesis for a degree of Candidate of Engineering Sciences, speciality 05.23.01 - Construction elements, buildings and constructions. - The Poltava National Technical University named after Yuri Kondratuck, 2005.

The thesis deals with bearing capacity and deformability; there are substantiated the theoretical methods in calculation of bearing capacities and strain-stressed states of compressed elements produced from composite steel double-T with lateral free spaces filled by concrete. The experimental investigations of compressed elements from steel double-T with lateral free spaces filled by concrete have been performed with those different in height and filled with different strength grade of concrete. The investigations have been also different as such to secure the joint action of concrete and steel under different load eccentricity. The resistance particularities of stressed elements under load have been described. It was also recommended how to calculate the constructions under review using a deformation scheme and engineering procedures. The investigation of compressed structural elements produced from composite steel double-T with lateral free spaces filled by concrete resulted in designing of real constructions and their further manufacturing application. It saved construction materials and reduced financial expenses.

Key words: composite double-T, steel reinforced concrete elements, strain-stressed state, bearing capacity.

Размещено на Allbest.ru

...