Міцність і деформативність залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом і поперечними анкерами

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Підвищення ефективності залізобетонних конструкцій, армованих сталевим профільованим настилом, пов'язано з удосконалюванням методів їх розрахунку на основі чітких фізичних передумов, що дозволяють найбільш повно використовувати властивості бетону й арматури. Саме такий підхід відповідає сучасному напрямку розробки нормативних документів. Не менш важливим є створення нових конструктивних рішень, що сприяють підвищенню несучої здатності і зниженню власної ваги перекриттів. Однак, вирішення поставлених задач, як свідчать дослідження монолітних перекриттів із зовнішнім армуванням, можливо лише при забезпеченні надійної сумісної роботи бетону з профільованим настилом.

Нормативні матеріали не включають питання проектування плит, армованих сталевим профільованим настилом, а існуючі методичні рекомендації перевищують несучу здатність плит, особливо, статично невизначених, оскільки засновані на ідеалізованих епюрах розподілу напружень у бетоні й арматурі і можливості існування пластичного шарніра.

Таким чином, вирішення задач, зв'язаних з удосконалюванням методів розрахунку і створенням нових конструктивних рішень плит, армованих сталевим профільованим настилом, є актуальним для ефективного використання будівельних матеріалів при зведенні залізобетонних перекриттів.

Мета роботи і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розробка методики розрахунку міцності і деформативності залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом, на основі реальних діаграм деформування матеріалів.

Поставлена мета досягається рішенням наступних задач:

- на основі експериментальних досліджень встановити особливості роботи залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом, при короткочасному навантаженні і оптимальний крок поперечних анкерів зі стрижневої арматури;

- розробити розрахункові методики оцінки напружено - деформованого стану нормальних перерізів залізобетонних елементів, що згинаються, армованих сталевим профільованим настилом, на основі діаграми Прандтля і повної діаграми деформування матеріалів;

- одержати рівняння для розрахунку статично невизначених плит, армованих сталевим профільованим настилом, на основі розвитку методу граничної рівноваги систем з обмежено пластичних матеріалів;

- розробити ефективне конструктивне рішення залізобетонних плит, армованих двома сталевими профільованими настилами;

- розробити методику розрахунку міцності і деформативності залізобетонних плит, армованих двома сталевими профільованими настилами, з використанням повної діаграми деформування бетону й оцінити ефективність отриманих пропозицій і рекомендацій.

1. Основні конструкції залізобетонних перекриттів, армованих сталевим профільованим настилом (СПН)

Дослідження спільної роботи профільованого настилу з бетоном, оцінка напружено-деформованого стану елементів, армованих СПН, що представлені в роботах Ю.Г. Аметова, Е.Л. Айрумяна, Ф.І. Багатурії, В.Ф. Бєляєва, О.Н. Богдановой, А.П. Васильєва, Р.В. Воронкова, В.М. Голосова, В.М. Горшкової, Б.Г. Демчины, Ф.Є. Клименка, В.І. Козаря, Ю.С. Мартинова, М.М. Онуфрієва, Я.Я. Панарина, В.О. Пермякова, І.В. Саннікова, В.Б. Сергєєва, Л.І. Стороженка, А.Л. Шубіна, B. Zhao, J. Kruppa, К. Лооритс, M. Patrick, A.R. Kenp, P.E. Trinchero та ін.

Показано, що основний напрямок експериментально-теоретичних розробок направлений на пошук нових видів анкеровки, які відрізняються підвищеною металоємністю і трудомісткістю виготовлення. Відзначено, що рифлення гофрованого профілю недостатньо ефективно для забезпечення спільної роботи з бетоном при роботі плит на згін, а для підвищення сумісної роботи профнастилу з бетоном у прольоті плити і місцевої стійкості стінок профанстилу є раціональним використання поперечних анкерів, розподілених по довжині ребер профнастилу.

Приведено аналіз відомих методик розрахунку міцності нормальних перерізів і деформативності залізобетонних елементів, армованих СПН. Показано, що більшість робіт, у тому числі діючі рекомендації, засновані на використанні ідеалізованих епюр розподілу напружень за висотою перерізу елемента перекриття, що призводить до переоцінки несучої здатності конструкцій, особливо статично невизначених, і некоректним розрахункам міцності перерізів у багатьох випадках, коли напруження в розтягнутому профнастилі не досягають граничних. Обґрунтована необхідність розробки методів розрахунку з використанням реальних діаграм деформування матеріалів на базі чітких фізичних передумов. Наприкінці розділу сформульовано висновки й основні задачі досліджень.

2. Обсяг і методика проведення експерименту, оснащення й устаткування, конструкція експериментальних зразків і технологія їх виготовлення, результати експериментальних досліджень

Експериментальні зразки - фрагменти однопрольотних плит довжиною 2 м і шириною поперечного переріза 0,86 м виготовлені з використанням у якості опалубки і зовнішньої арматури сталевого профільованого настилу Н75-750-0,7. Зразки розділені на чотири серії. Кожна серія включала три зразки. Перша серія - плити, армовані лише сталевим профільованим настилом (П-1). Друга серія (П-II) відрізнялася від першою постановкою поперечних анкерів зі стрижневої арматури з кроком 200 мм. Третя серія (П-III) відрізнялася від другої кроком поперечних анкерів - 400 мм. Четверта серія (П-IV) представляла пропоноване конструктивне рішення плити з двома сталевими профільованими настилами і поперечними анкерами.

У торцях плит кожної серії в гофрах СПН встановлювали кінцеві анкери з арматури класу А-III Ш12мм, а вздовж прольоту плити - поперечні анкери з арматури класу ВР-ІІ Ш5 мм.

Міцність та деформаційні характеристики бетону встановлювалися за допомогою випробувань бетонних кубів і призм. Механічні характеристики сталевого профільованого настилу одержані відповідно до ДСТУ 11701-84 на зразках-стрічках, вирізаних зі сталевого профнастилу.

Випробування плит проводили на спеціально розробленому стенді за схемою чистого згину. Деформації бетону в плитах вимірювали на базі 200 мм за допомогою механічних індикаторів. Деформації сталевого профільованого настилу вимірювали тензорезисторами з базою 20 мм, що наклеювали в зоні максимального моменту на стінках, нижніх і верхніх полках СПН. Прогин вимірювали в середині прольоту плит за допомогою двох прогиномірів Аістова. Зсув СПН відносно бетону вимірювали механічними індикаторами. Навантаження зразків здійснювалось за деформаціями Де=20х10-5 на кожній ступені.

Результати випробувань плит, армованих СПН, представлені в табл. 1.

Таблиця 1. Основні результати випробувань залізобетонних плит, армованих сталевим профільованим настилом

Примітка: - деформації зсуву СПН відносно бетону.

Згідно табл. 1, максимальний згинаючий момент у плитах серії П-II перевищував у 1,88 рази відповідний момент плит серії П-I і в 1,18 рази плит серії П-III. Відсутність поперечного армування призвела до зниження граничних деформацій бетону в плитах серії П-I у 3,87 рази в порівнянні з плитами серії П-II. Плити серії П-I працювали фактично як бетонні елементи в опалубці з СПН. У плитах серій П-II, П-III у момент руйнування деформації в нижній полиці СПН і лише в частині стінок перевищували деформації, що відповідають межі плинності. Зсув в плитах серії П-I спостерігався на початкових етапах навантаження при деформаціях бетону стиснутої зони і супроводжувався відшаруванням листа СПН від бетонної полиці.

У плитах серії П-II, при кроці поперечних анкерів у прольоті 200 мм, зсув настилу відносно бетону був мінімальним у порівнянні зі зразками серії П-III, П-I і спостерігався безпосередньо перед руйнуванням. Визначено, що міцність бетону плит, у значній мірі залежить від кроку анкеровки СПН за довжиною прольоту. Наведені результати дозволили встановити оптимальний крок поперечних анкерів - 200мм, що дозволяє цілком використовувати міцнісні і деформативні характеристики бетону стиснутої зони. Руйнування плит серій П-I - П-III відбувалося за нормальним перерізом в зоні дії максимального моменту з розкриттям тріщин на бокових гранях полиці плити з подальшим руйнуванням бетону стиснутої зони.

Особливістю деформуваня плит серії П - IV з двома СПН було практично одночасне досягнення межі плинності на розтягнутій і стиснутій гранях, а також утворення в момент руйнування на крайній стиснутій грані в зоні чистого згину хвиль у полках верхнього сталевого профнастилу, що відповідало втраті місцевої стійкості і спостерігалось після руйнування бетону стиснутої зони при .

3. Розрахункові методики оцінки напружено-деформованого стану плит, армованих СПН, при короткочасному навантаженні на основі реальних діаграм деформування матеріалів

Розроблено два варіанти розрахунку: перший - з використанням в якості основної передумови залежності між напруженнями і деформаціями бетону і профнастилу у виді діаграми Прандтля і другий - з використанням повної діаграми деформування бетону.

Особливістю розробленої методики з використанням діаграми Прандтля є отримані рівняння щодо визначення напружень в стінці, нижній і верхній полицях СПН при пластичній і пружній роботі.

Другий варіант представляє методику розрахунку залізобетонних елементів, армованих сталевим профнастилом, з використанням реальних діаграм деформування матеріалів.

Передумови розрахунку:

- залежність між напруженнями і деформаціями бетону в розрахунковому перерізі при:

,

апроксимована поліномом п'ятого ступеня:

(пропозиція НДІБК);

- залежність між напруженнями і деформаціями СПН приймається у вигляді діаграми Прандтля;

- вважається справедливим лінійний закон розподілу деформацій в розрахунковому перерізі;

- за критерій руйнування приймається досягнення значень граничних деформацій крайнім стиснутим волокном або крайнім розтягнутим волокном .

Відповідно до прийнятих передумов напружено-деформований стан таврового перерізу, армованого СПН, визначається системою рівнянь рівноваги з урахуванням положення нейтральної осі в полиці або в ребрі.

У випадку розташування нейтральної осі в межах товщини “полки” плити :

; (1)

. (2)

де - кривизна розрахункового перерізу; - висота стиснутої зони; - коефіцієнти полінома, що визначаються в залежності від значень параметрів діаграми “ ” бетону при одноосьовому стиску; - деформації крайнього стиснутого волокна перерізу; і - суми сил і моментів у сталевому профільованому настилі визначаються в формулах за допомогою лінійного закону розподілу деформацій в перерізі.

У випадку розташування нейтральної осі в межі ребра ():

(3)

(4)

Приведена методика дозволяє визначити напруження в кожному волокні бетону й в арматурі, кривизну зігнутої осі елемента в розглянутому перерізі, а також найбільш точне значення жорсткості і прогин елемента. Отримані рівняння (1 і 2, 3 і 4) можуть бути використані для побудови залежності “момент кривизна” на всіх етапах роботи.

Ефективність розроблених методик для плит серії П-I, П-II, П-III визначена за допомогою порівняння експериментально отриманих і розрахункових значень несучої здатності і прогинів. Приведені на рис. 3 результати свідчать, що методики розрахунку з використанням діаграми Прандтля і повної діаграми деформування матеріалів, у порівнянні з розрахунками, заснованими на прямокутних епюрах розподілу напружень в бетоні і СПН, дозволяють виконувати достовірну оцінку напружено-деформованого стану плит, армованих СПН, на всіх етапах деформування при забезпеченні спільної роботи бетону і СПН у прольоті.

У рамках розвитку методу граничної рівноваги конструкцій з обмежено пластичних матеріалів у розділі приведена методика розрахунку міцності нормальних перерізів статично невизначених елементів, що згинаються. Формули для визначення пролітного й опорного моментів защемленої плити при досягненні граничних деформацій на фібрах у пролітному перерізі і роботі опорного перерізу в пружній і пружно-пластичній стадії отримані відповідно до розрахунку міцності таврового перерізу на основі діаграми Прандтля:

- пролітний момент:

; (5)

- опорний момент при роботі перерізу в пружній стадії:

; (6)

- опорний момент при роботі перерізу в пружно-пластичній стадії:

. (7)

Приведені формули (5 - 7) використані для одержання чисельних результатів оцінки несучої здатності статично невизначених залізобетонних плит, армованих СПН, при різних значеннях параметра обмеженої пластичності .

Показано, що несуча здатність опорних перерізів плит, згідно з методом обмеженої пластичності, при на 24 % менше значення несучої здатності згідно методу граничної рівноваги в його класичній постановці при .

Розходження між граничним навантаженням, обчисленим з урахуванням обмеженої пластичності і граничним навантаженням , що отримано в припущенні ідеальної пластичності матеріалу при значеннях досягає 30%. Встановлено, що неврахування впливу стиснутого бетону на несучу здатність опорних перерізів плит без надопорної гнучкої арматури, відповідно до діючих рекомендацій, призводить до недооцінки несучої здатності приблизно на 23-46% в залежності від параметра . Таким чином, при проектуванні залізобетонних плит перекриттів, армованих СПН, виготовлених з матеріалів з вираженим обмеженням пластичних властивостей (бетони середньої і високої міцності з ), це обмеження повинне бути враховане в розрахунках.

4. Розрахункові залежності і методика оцінки напружено - деформованого стану запропонованих плит, армованих двома СПН, при короткочасному навантаженні з використанням повних діаграм деформування бетону і діаграми Прандтля в СПН і прямокутних епюр розподілу напружень у бетоні і СПН

Приведено оцінку ефективності запропонованого конструктивного рішення і методики розрахунку міцності і деформативності плит.

У випадку розташування нейтральної осі в межах товщини полки плити , рівняння рівноваги отримані у вигляді:

. (8)

. (9)

У розділі приведені також рівняння рівноваги щодо випадку розташування нейтральної осі в межах висоти ребер плити , а також таблиці значеннь розрахункових прольотів у залежності від висоти перерізу плити у діапазоні навантажень від 5 до 40 кН/м2.

Оцінка ефективності запропонованого конструктивного рішення виконана зіставленням питомої несучої здатності і вартості натурних плит, армованих двома й одним СПН. Запропоноване конструктивне рішення відрізняється приблизно в 1,6 рази більшою питомою несучою здатністю в порівнянні з плитами, армованими одним СПН і в 1,35 рази меншою власною вагою. При цьому питома вартість 1м2 перекриття з використанням двох сталевих профнастилів несучою здатністю 1 кН·м з урахуванням власної ваги менше на 12,6 %.

Слід зазначити, що запропоноване конструктивне рішення перекриття з двома СПН відрізняється підвищеним опором зосередженим навантаженням за рахунок збільшення просторової жорсткості конструкції і сприймає моменти за статично невизначеною схемою.

Конструктивне рішення плити з двома СПН захищене деклараційним патентом України.

Висновки

залізобетонний деформований армований профільований

Виконані дослідження дозволяють сформулювати основні результати і загальні висновки:

1. На основі експериментальних досліджень натурних зразків плит, армованих сталевим профільованим настилом, встановлено, що прийняті в діючих рекомендаціях анкерні пристрої в місцях обпирання плит не забезпечують повної сумісної роботи бетону і сталевого профільованого настилу; відсутність анкеровки в прольоті плити призводить до зниження в 3,8 рази граничних деформацій стиску бетону, в 1,28 рази деформацій у розтягнутому профнастилі і, як наслідок, до зниження в 1,9 рази несучої здатності конструкції перекриття.

2. Експериментально обґрунтовано крок поперечної анкеровки в прольоті плити, що забезпечує спільність роботи бетону і профнастилу до досягнення граничних деформацій у бетоні стиснутої зони і деформацій плинності в сталевому профільованому настилі.

3. Розроблено методики розрахунку міцності і деформативності нормальних перерізів плит, армованих одним і двома сталевими профільованими настилами на основі повної діаграми деформування бетону і трапецеїдальної епюри розподілу напружень в бетоні і профнастилі, що дозволяють проектувати конструкції перекриттів з мінімальною витратою сталі і бетону і дають достовірну оцінку напружено-деформованого стану на всіх етапах деформування.

4. У рамках розвитку методу граничної рівноваги систем з обмежено пластичних матеріалів отримані рівняння щодо розрахунку статично невизначених елементів, армованих сталевим профільованим настилом, і обґрунтовано їхнє раціональне використання для бетонів середньої і високої міцності.

5. На основі порівняння результатів розрахунків статично невизначених елементів, армованих сталевим профільованим настилом, за запропонованою і існуючою методиками встановлено, що використання прямокутних епюр розподілу напружень в бетоні і сталевому профнастилі призводить до завищення на 30 % несучої здатності опорних перерізів.

6. Запропоновано оцінку деформованого стану залізобетонних елементів, армованих сталевим профнастилом, з використанням реальних діаграм деформування бетону і профнастилу, що дозволяє найбільш точно визначати характеристики жорсткості і прогини на будь-якій стадії навантаження.

7. Розроблено ефективне конструктивне рішення залізобетонної плити, армованої двома профільованими настилами, що забезпечує, в порівнянні з традиційним рішенням, зниження в 1,35 рази власної ваги за рахунок зменшення об'єму бетону, збільшення в 1,6 рази питомої несучої здатності за рахунок введення верхнього профнастилу. Питома вартість запропонованого конструктивного рішення з урахуванням зниження власної ваги в перерахуванні на 1м2 перекриття несучою здатністю 1 кН·м на 12,6 % менше, ніж плит, армованих одним профнастилом.

Література

1. Давиденко А.И., Беляева С.Ю., Безбожная М.С. К расчету несущей способности монолитной железобетонной конструкции перекрытия с двойным профилированным настилом // Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. - Київ: НДІБК, 2002. - вип. 57 - С. 175 - 180.

2. Пат. 58278 А Україна, МКИ7 Е 04 В 5/40. Перекриття / Давиденко О.І., Бєляєва С.Ю. (Україна, ДГМІ) - № 2002118932; Заявлено 1.11.02; Опубл. 15.07.03, Бюл. №7. - 3с.

3. Давиденко А.И., Беляева С.Ю. Расчет железобетонной конструкции перекрытия, армированной стальным профилированным настилом, на основе упругопластической диаграммы работы материалов // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. - Дніпропетровськ, ПДАБтаА - 2003. - №8. - С.10-15.

4. Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В., Давиденко А.И. К вопросу совершенствования методики расчета прочности изгибаемых железобетонных элементов, армированных стальным профилированным настилом// Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. - Київ: НДІБК, 2004. - вип. 60 - С. 542 - 546.

5. Беляева С.Ю., Псюк, В.В. Методика исследования прочности и деформативности плит с двойным стальным профилированным настилом // Сб. докладов VIII Украинской научно-технической конференции “Металлические конструкции - взгляд в прошлое и будущее”. - Часть 1. - Киев: Изд-во “Сталь”, 2004 - С. 289 - 292.

6. Давиденко А.И, Давиденко М.А., Беляева С.Ю., Присяжнюк Н.В. К расчету железобетонных плит, армированных стальным профилированным настилом, на выносливость и малоцикловую усталость// Міжвід. науково-техн. зб. наук. праць „Будівельні конструкції”. - Київ, НДІБК, 2005. - вип. 62 -С. 112 -117.

Размещено на Allbest.ru