Залізобетонні конструкції з робочим армуванням незмінною опалубкою

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. Одним із недоліків залізобетону є необхідність застосування опалубки і риштувань при зведенні несучих конструкцій, що значно підвищує їх вартість, витрати матеріалів, праце- та енерговитрати. З цим недоліком провадиться постійна боротьба, наприклад, бетонування в незнімній залізобетонній опалубці, застосування збірно-монолітних конструкцій, використання збірного залізобетону. Це не дає бажаного результату, тому що все одно доводиться в тому чи іншому вигляді застосовувати опалубку, а іноді й риштування.

Нині широке застосування дістали сталезалізобетонні конструкції, які в своєму складі поєднують бетон, арматурні стрижні та сталеві прокатні профілі. Поряд з високими техніко-економічними показниками при будівництві цих конструкцій у багатьох випадках вдається повністю позбавитися необхідності застосовувати опалубку і риштування, тому що в якості опалубки можна використовувати сталеві прокатні профілі й листи, а робоча арматура з прокатних профілів із успіхом виконує функції риштувань. Але на даний час ця проблема залишається не розв'язаною.

Викладене дозволяє зробити висновок про актуальність дослідження, проектування та впровадження у будівництво залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці, функції якої виконує робоча арматура із листів та прокатних сталевих профілів.

Мета роботи - розв'язання проблеми створення, дослідження, розрахунку й упровадження у будівництво залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці із сталевих прокатних профілів та листів, які одночасно виконують роль робочої арматури.

Задачі дослідження:

1. Запропонувати нові типи залізобетонних конструкцій, які можна будувати в незнімній опалубці із застосуванням сталевих листів та прокатних профілів, що одночасно виконують функції робочої арматури.

2. Експериментально дослідити особливості роботи елементів залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці.

3. Виявити закономірність зміни напружено-деформованого стану перерізів залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці залежно від величини навантажень та дослідити характер їх руйнування.

4. Дослідити необхідність і вплив анкерних засобів та склеювання на сумісну роботу бетону й незнімної опалубки зі сталевих листів і профілів у комплексних конструкціях.

5. Розробити методику розрахунку досліджуваних конструкцій у незнімній опалубці з урахуванням особливостей спільної роботи бетону та арматури з листів і сталевих профілів.

6. Дослідити проблеми втрати стійкості незнімної опалубки - армування із тонких сталевих листів в умовах сумісної роботи з бетоном у залізобетонній конструкції.

7. Упровадити результати досліджень у практику проектування й будівництва, провести натурні випробування запропонованих конструкцій.

8. Установити техніко-економічну ефективність залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці порівняно зі звичайними залізобетонними конструкціями.

1. Сучасний досвід використання і дослідження залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці

Підкреслюється, що у виготовленні та будівництві залізобетонних конструкцій проблемам застосування опалубки завжди приділялася належна увага. Останніми роками в будівництві монолітних залізобетонних конструкцій, зокрема висотних будівель, застосовується інвентарна опалубка, яка використовується багато разів. Але ця опалубка має високу вартість, а швидке її обертання стримується часом, необхідним для набуття бетоном необхідної міцності.

У виробництві збірних залізобетонних конструкцій у заводських умовах використовується стаціонарна металева опалубка. Металева опалубка та необхідність термічної обробки значно підвищують вартість залізобетонних виробів.

Відомо, що при зведенні залізобетонних монолітних конструкцій і споруд трудомісткість опалубки становить 35-40%, а вартість - 15-25% від загальних витрат на конструкцію. Враховуючи високу вартість та величезні витрати на влаштування провадилися роботи з типізації й індустріалізації опалубки.

З урахуванням складнощів, пов'язаних з виготовленням і будівництвом опалубки та риштувань, виникла ідея про застосування незнімної опалубки. Основні з видів незнімної опалубки такі: опалубка із залізобетонних плит, яка після бетонування працює у складі монолітної конструкції; незнімна опалубка з азбоцементних й армоцементних плит; з уніфікованих пустотних бетонних блоків; зі склоцементних листів тощо. Слід відмітити, що в жодному з цих випадків незнімна опалубка не виконувала функцій робочого армування.

Поряд із залізобетонними вже понад сто років застосовуються стале- залізобетонні конструкції, що поєднують у собі залізобетон і сталеві прокатні профілі. Сталезалізобетонні конструкції мають багато переваг, але, на нашу думку, основна з них - це можливість у багатьох випадках виробляти та бу-дувати залізобетонні конструкції без використання спеціальної опалубки, тому що її функції може успішно виконувати робоча арматура зі сталевих профілів.

Беручи до уваги вищесказане, необхідно дослідити відомі конструкції та запропонувати нові види залізобетонних конструкцій, які не потребували б використання спеціальної опалубки для їх виготовлення та спорудження. Цим вимогам відповідають деякі типи сталезалізобетонних конструкцій, у котрих листова чи профільна робоча арматура може одночасно виконувати функції опалубки.

Відомо, що в сталезалізобетонних конструкціях для раціональної сумісної роботи в одне ціле поєднані бетон, сталеві профілі та стрижнева арматура. Враховуючи широку різноманітність сталевих профілів, сталезалізобетонні конструкції досить різноманітні. Крім класифікації за призначенням, вони можуть розділятися залежно від місця виготовлення: безпосередньо при спорудженні будівлі («монолітний» варіант) чи в заводських умовах або на будівельному майданчику (збірні конструкції). Сталезалізобетонні конструкції чітко поділяються на елементи із зовнішнім і внутрішнім армуванням.

До сталезалізобетонних належать трубобетонні конструкції, які досить глибоко вивчені. Особливо активні науково-пошукові роботи з дослідження трубобетону проводилися в нашій країні останні сорок років. Були засновані наукові школи під керівництвом О.А. Долженка, Р.С. Санжаровського, Л.К. Лукші, Л.І. Стороженка, Е.Д.Чихладзе, якими накопичений великий дослідний та теоретичний матеріал, що дозволяє судити про особливості роботи оболонки і ядра в трубобетоні й про причини підвищення несучої здатності трубобетонних елементів, коли бетон перебуває в об'ємному напруженому стані. За кордоном останнім часом також ведуться активні дослідження трубобетонних елементів, які супроводжуються їх широким застосуванням у будівництві.

Але існує коло питань, які мають неоднозначне трактування. Так, немає узгодженості між різними дослідниками у питанні визначення граничних станів трубобетонних елементів та методики розрахунку їх несучої здатності.

У різних країнах світу чинні національні норми розрахунку сталезалізобетону, в Європі вже більше десяти років діє міжнародний нормативний документ Eurocode 4, присвячений проектуванню сталезалізобетонних конструкцій.

З аналізу існуючих видів сталезалізобетонних конструкцій слід зробити висновок, що не всі вони можуть зводитися без застосування опалубки. Наприклад, потребують опалубки несучі конструкції з внутрішнім жорстким армуванням.

У будівництві та виготовленні залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці необхідно дотримуватися таких вимог:

1. Армування конструкції повинне бути зовнішнім і відповідати вимогам, які ставляться до сталевої опалубки.

2. Між армуванням-опалубкою та бетоном мають бути передбачені засоби, які забезпечили б сумісну роботу бетону та сталі.

3. При проектуванні зовнішньої арматури необхідно враховувати навантаження, які можуть виникнути при виготовленні й монтажі.

Значно розширили клас конструкцій, які можна будувати в незнімній опалубці, запатентовані пропозиції щодо виготовлення конструкцій у перевернутому положенні. Конструкція виготовляється на спеціально підготованому майданчику, а після твердіння бетону за допомогою кранового обладнання перевертається й установлюється в проектне положення. Цей спосіб має суттєві переваги: при бетонуванні виробу практично не потрібна опалубка, безпосередньо на рівні землі можна виконати опоряджувальні роботи на конструкції, зводяться до мінімуму монтажні роботи на висоті.

При дослідженні залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці нами розглядалися виключно такі випадки: сталева незнімна опалубка виконує роль робочої арматури; виключене будь-яке застосування додаткової опалубки та підтримуючих конструкцій - риштувань. Залізобетонні конструкції в незнімній опалубці можуть виготовлятись як у монолітному, так і в збірному варіанті.

На основі аналізу стану проблеми сформульовані мета і задачі дослідження.

2. Дослідження залізобетонних стійок та колон у незнімній опалубці

Вимогам до конструкцій у незнімній опалубці в повному обсязі відповідають трубобетонні конструкції, що мають зовнішнє армування з труб й ідеально відповідають умовам, що ставляться до опалубки. При його застосуванні в якості залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці виникає низка питань. Відомо, що коефіцієнти поперечної деформації н для бетону і сталі різні, причому для сталі він більший (для бетону нb =0,2, а для сталі нs = 0,3). Тобто, при завантаженні трубобетонної конструкції між трубою та бетоном повинне порушуватися зчеплення, чого не можна допустити в експлуатації конструкції. Для запобігання цьому явищу нами запропоновано наносити на внутрішню поверхню труби шар акрилового клею, який застосовується при підсиленні залізобетону. Клей тужавіє разом зі свіжоукладеним бетоном і забезпечує сумісну роботу оболонки та ядра. Тому, для виявлення впливу склеювання оболонки з ядром, проведені спеціальні випробування, результати яких наведені в цьому розділі.

Недостатньо є дослідженим питання про те, як забезпечується сумісна робота бетону й сталі у випадку, коли навантаження передається тільки на ядро або тільки на оболонку. З метою вивчення цього явища нами також проведені відповідні експериментальні дослідження. При розробленні програми експерименту ставилася задача дослідження особливостей роботи трубобетонних елементів залежно від способу передавання навантаження на зразок (тільки на трубу чи на бетон і на комплексний переріз) та його ексцентриситету. Для виготовлення експериментальних зразків були прийняті сталеві труби діаметром 104 мм із товщиною стінки 4 мм , заповнені бетоном. Усі трубобетонні зразки мали висоту 400 мм, вони заповнювалися бетоном класу В20 за міцністю.

Слід відмітити, що у випадку передавання навантаження на комплексний переріз і на бетонне ядро характер руйнування зразків був практично однаковим та характеризувався загальною втратою стійкості. Такий характер руйнування зразків спостерігався незалежно від стану внутрішніх поверхонь труби-оболонки: без обробки, змащені мастилом, із прошарком акрилового клею. В момент досягнення граничного стану за несучою здатністю поздовжні напруження перевищували призмову міцність бетону в 1,5-2 рази.

Можна бачити, що розвиток поздовжніх деформацій має прямолінійний характер від початку завантаження і до 0.7ч0.9 від величини зусилля N1, яке відповідає початку плинності матеріалу труби-оболонки. При завантаженні дослідних зразків на комплексний переріз розвиток деформацій та величина зусилля майже однакові для всіх видів контакту між компонентами трубо бетону.

За результатами проведених експериментальних досліджень підтверджений висновок, що труба-оболонка в трубобетонних елементах працює спільно з бетонним ядром і надійно виконує функції незнімної опалубки. Бетон знаходиться в об'ємному напруженому стані, між ядром й оболонкою діють напруження стиску, тому додаткові анкерні засоби, які забезпечували б їх сумісну роботу, є зайвими.

На сьогодні набуло поширення застосування клеїв при підсиленні залізобетонних конструкцій та при закріпленні анкерних болтів. Особливо позитивно в цьому випадку зарекомендували себе акрилові клеї. Експериментально досліджені стійки з армуванням сталевими листами, які виконували функції робочого армування. Крім забезпечення сумісної роботи бетону й сталі за допомогою сталевих анкерів - поперечних арматурних стрижнів, були випробувані стиснуті зразки, в яких листи прикріплювалися до бетону під час виготовлення зразків. У якості стиснутих елементів, армованих сталевими листами, сумісна робота яких з бетоном була забезпечена за рахунок акрилового клею, були випробувані зразки висотою 630 мм, обрамлені сталевими листами із двох сторін із використанням клейового з'єднання та без нього.

Після виготовлення сталевої частини стійок, у відповідних зразках місця контакту сталі з бетоном покривались шаром акрилового клею та заповнювалися бетоном. У зразків К1 і К2 акриловий клей складався із 100 мас-частин полімеру, 100 мас-частин затверджувача. Використовувався бетон промислового виробництва класу В15 за міцністю.

Слід відмітити, що з початку завантаження деформації розвивалися практично лінійно, а перед руйнуванням відмічався розвиток пластичних деформацій. На всіх етапах завантаження, до руйнування зразка, бетон та сталеві листи деформувалися сумісно.

Порівнюючи дослідні зразки з використанням клейового з'єднання сталевої поверхні з бетоном і без нього можна говорити про значне зменшення деформативності конструкцій, у яких використовувалося клейове з'єднання, відносні деформації залежно від навантаження зменшувалися приблизно на 25%.

Характер руйнування бетону в зразках з приклеєними листами й при відсутності клею був різним. У першому випадку бетон руйнувався в результаті появи вертикальних тріщин відриву вподовж зразка, що характерно для звичайних бетонних призм-близнюків, а у випадку, коли листи були приклеєні, руйнування бетону відбувалося при появі нахиленої під кутом 600 тріщини та сповзання верхньої частини зразка відносно нижньої. Несуча здатність призм, армованих сталевими листами, без використання клейового з'єднання становила лише 290 кН, а призм з використанням акрилового клею із заповнювачем - 660 кН.

Були експериментально досліджені стиснуті елементи зі сталевих прокатних двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном при забезпеченні сумісної роботи бетону і сталі за допомогою анкерних засобів.

При плануванні експериментальних досліджень ураховувалися різні фактори, що можуть впливати на значення несучої здатності позацентрово стиснутих елементів, а саме: довжина елемента, наявність бетонування й армування бокових порожнин двотавра, спосіб приєднання поздовжньої арматури, діаметр поздовжньої арматури та ексцентриситет прикладення зовнішнього навантаження. За планом експерименту було виготовлено дві групи зразків. Перша група виготовлялась зі сталевих прокатних двотаврів № 16 з довжиною 800 мм, 1200 мм та 1600 мм; із поздовжньою арматурою класу А-ІІІ Ш12 мм, Ш16 мм і поперечною арматурою класу А-І Ш6 мм; із заповненими бетоном класу В30 боковими порожнинами. Друга група зразків виготовлялась зі сталевих прокатних двотаврів № 20 з довжиною 2000 мм; із поздовжньою арматурою класу А-ІІІ 10 мм, 14 мм, 22 мм та поперечною арматурою класу А-І 6 мм; із заповненими бетоном класу В25 боковими порожнинами. Зразки виготовлялися в горизонтальному положенні з бетонуванням одної, а потім - іншої порожнини.

Випробування проводились на пресі ПММ-250. При цьому вимірювалися поздовжні та поперечні деформації за допомогою електротензорезисторів та індикаторів годинникового типу. Прогини в дослідних елементах вимірювались за допомогою прогиномірів Максимова.

Значення несучої здатності випробуваних зразків змінювалося залежно від діаметра арматури та ексцентриситету прикладення зовнішнього навантаження. Найвищу несучу здатність (1500 кН) мав зразок, у якому ексцентриситет прикладення навантаження в обох напрямках дорівнював випадковому, а поздовжнє армування 4Ш16 мм А-ІІІ. Для оцінювання ефективності роботи позацентрово стиснутих елементів було введено коефіцієнт , де - несуча здатність зразка; - зусилля, при котрому деформації в металі двотавра досягають межі плинності. Встановлено, що цей коефіцієнт коливається в межах від 1,22 до 1,54. Таким чином, заповнювати двотаври бетоном у всіх випадках вигідно, оскільки це значною мірою підвищує їх несучу здатність.

Утрата несучої здатності стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із порожнинами, заповненими бетоном, відбувалась при великих пластичних деформаціях без миттєвої втрати стійкості. На всіх етапах завантаження в експериментальних зразках сталь та бетон працювали сумісно.

Були випробувані стиснуті елементи із сталевих прокатних двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном при забезпеченні сумісної роботи бетону й сталі за допомогою склеювання. Після виготовлення сталевої складової зразків акриловий клей наносився на металеву поверхню перед бетонуванням порожнини двотавра.

Слід відмітити, що і в цьому випадку на всіх етапах завантаження сталь та бетон працювали сумісно. Відколювання бетону від сталі не спостерігалося навіть при досягненні зразками граничного стану за несучою здатністю. Зразки в граничному стані втрачали загальну стійкість, вигиналися, як це характерне для сталевих стійок. Завдяки бетону в бокових порожнинах несуча здатність стійок досягала 450 кН і приблизно вдвічі перевищувала несучу здатність двотавра з незаповненими бетоном боковими порожнинами. Як і у випадку армування сталевими смугами, склеювання забезпечує сумісну роботу бетону й сталі аж до втрати несучої здатності зразка.

3. Експериментальне дослідження залізобетонних балок і ригелів в незнімній опалубці

Був запропонований новий тип балки зі сталезалізобетонним верхнім поясом, що складався з горизонтально розміщеного сталевого швелера, який міг заповнюватися бетоном після монтажу конструкції в будівлі (патент №26142). Для отримання експериментальних результатів, котрі дали б можливість достатньою мірою судити про особливості роботи згинальних сталезалізобетонних двотаврових елементів із сталезалізобетонним верхнім поясом були запроектовані відповідні дослідні зразки. Всього було випробувано 12 серій балок, що відрізнялися міцністю бетону в стиснутій верхній полиці (відповідно класи бетону за міцністю В25, В40, В55) та схемою завантаження.

У результаті вимірювання деформацій досліджуваних сталезалізобетонних балок, заміряних за допомогою індикаторів годинникового типу та електротензорезисторів, отримано графіки залежності деформацій від навантаження, один з яких наведений на рис. 6.

Із наведених графіків видно, що в розтягнутій зоні перерізу на початкових стадіях навантаження спостерігається лінійна залежність між згинальними моментами і деформаціями, що свідчить про пружну стадію роботи розтягнутої зони елемента. При подальшому навантаженні, близькому до межі текучості, відбувається утворення тріщин у бетоні сталезалізобетонної полиці та спостерігається втрата стійкості вертикальних сталевих листів, що призводить до втрати несучої здатності елементу. При навантаженнях, які становили 85-90% від руйнуючого, спостерігалися пластичні деформації в сталі.

У процесі випробування не виявлено якого-небудь суттєвого порушення зв'язку листової арматури з бетонним ядром як у процесі завантаження, так і при повній втраті несучої здатності елементів.

Несуча здатність елементів, верхній пояс котрих був заповнений бетоном, виявилася в 2,35 - 2,71 разу вища, ніж сталевої опалубки. Це пояснюється тим, що бетон, який знаходиться в сталевій оболонці, не дозволяє розвиватися плас-тичним деформаціям сталевих стінок та втраті їх місцевої стійкості, відбу-вається більш рівномірний розподіл напружень по зовнішній листовій арматурі.

Наведені результати випробування балок із зовнішнім листовим армуванням при забезпеченні сумісної роботи сталевих листів та бетону за допомогою анкерних засобів, які свідчать про ефективність їх роботи під навантаженням. Були випробувані згинальні елементи із сталевих прокатних двотаврів прольотом 2 м із порожнинами, заповненими бетоном при забезпеченні сумісної роботи бетону і сталі за допомогою склеювання та без нього. Після виготовлення сталевої частини балки, у відповідних зразках місця контакту сталі з бетоном покривались шаром акрилового клею та в горизонтальному положенні поперемінно заповнювалися бетоном. У результаті вимірювання деформацій досліджуваних сталезалізобетонних балок, заміряних за допомогою індикаторів годинникового типу та електротензорезисторів, отримані графіки залежності деформацій і прогинів від навантаження. Встановлено, що в розтягнутій зоні перерізу на початкових стадіях навантаження спостерігається лінійна залежність між згинальними моментами та деформаціями, що свідчить про пружну стадію роботи розтягнутої зони елемента. При подальшому навантаженні, близькому до межі текучості, відбувається утворення нормальних тріщин до повздовжньої осі конструкції та спостерігається втрата стійкості сталевого двотаврового елемента, що призводить до втрати несучої здатності елемента. При навантаженнях, які становили 85-90% від руйнуючого, виявлені пластичні деформації. Руйнування сталезалізобетонних елементів відбувалося не крихко, а внаслідок пластичних деформацій сталевого елемента. Порівнюючи дослідні зразки з використанням клейового з'єднання сталевої поверхні контакту із бетоном та без нього можна говорити про значне зменшення деформативності конструкцій, у яких використовувалося клейове з'єднання, тобто відносні деформації й прогин залежно від навантаження зменшувалися приблизно на 25%. У процесі випробування не виявлено якого-небудь суттєвого порушення зв'язку металевої частини конструкції з бетонною, як у процесі завантаження, так і при повній втраті несучої здатності елементів.

4. Експериментальні дослідження залізобетонних плит у незнімній опалубці

Поряд з уже відомими варіантами, нами запропоновано нові конструктивні рішення (зокрема, залізобетонні плити зі сталевим обрамленням), що підтверджені авторськими свідоцтвами та патентами на винаходи (патент №37444, 2009 рік). Згідно з програмою, в цьому розділі проведені експериментальні дослідження таких типів плит, які виготовляються в незнімній опалубці: плити по профільованому настилу та залізобетонні плити зі сталевим обрамленням.

Плити по профільованому настилу як конструкції, що будуються в незнімній опалубці, нині дістали широке розповсюдження. Недоліком цих плит є труднощі, котрі виникають при забезпеченні сумісної роботи бетону й сталі, для чого застосовують різні способи анкерування. Запропоноване склеювання бетону та сталевого листа в процесі виготовлення плити, завдяки чому забезпечується сумісна робота бетону і сталі (патент №43486, 2009 рік).

Метою проведення експериментальних випробувань фрагментів залізобетонних плит по профільованому настилу було дослідження впливу клейового з'єднання бетонної та сталевої частин плит на їх несучу здатність і характер руйнування дослідних зразків при різних схемах завантаження.

Для отримання експериментальних результатів запроектовано монолітні плити по профільованому настилу із використанням клейового з'єднання та без нього. Експериментальні зразки - прямокутні у плані 900Ч1200 мм, які утворені несучим профнастилом Н75-750-0,8 (за ГОСТ 24045-94), поверх котрого влаштована монолітна бетонна плита товщиною 40 мм без урахування заповнення гофрів. У половині зразків перед бетонуванням поверхня металевої частини, що контактує з бетоном, обмазувалася акриловим клеєм із дотриманням технології його використання. При виготовленні зразків використовувався бетон промислового виробництва, який відповідав класу В15.

Експериментальні значення несучої здатності дослідних зразків становили відповідно для П1 - 17,5 кН, для П2 - 30 кН. За наявності склеювання профнастил і бетонний блок працювали сумісно аж до втрати несучої здатності зразків. Таким чином, несуча здатність досліджуваних елементів, у яких використовувалося клейове з'єднання сталі з бетоном, вища порівняно з елементами без такого з'єднання на 42%. Зміна прогину від навантаження свідчить про різке підвищення деформативності після відриву сталевого профільованого настилу від бетонного блоку в зразках без склеювання, однак на початкових етапах завантаження прогини розвивалися пропорційно навантаженню. З'єднання бетону зі сталлю за допомогою акрилового клею забезпечує сумісну роботу обох компонентів композитної конструкції протягом усього процесу завантаження, що підтверджує плавне зростання значення прогинів. У дисертації також наведені результати експериментальних досліджень плит по профільованому настилу із забезпеченням сумісної роботи бетону й сталі за допомогою анкерів.

В основу запропонованої конструкції збірної залізобетонної плити перекриття зі сталевим обрамленням (патент 37444) покладено завдання вдосконалення поперечного перерізу шляхом зміни технології виготовлення та ефективних засобів забезпечення сумісної роботи бетону зі сталевим елементом. Така конструкція складається зі сталевої рами, яка може бути виготовлена з кутиків за допомогою електрозварювання, залізобетонної плити та арматурної сітки 3, що влаштовується до початку бетонування конструкції. Ці конструкції мають низку переваг, зокрема такі: простота монтажу, відсутність опалубки, відносно мала трудомісткість, економія енерговитрат, спрощення арматурних робіт без застосування попереднього напруження, крім того, відкриті частини сталевої рами-обрамлення можливо використовувати в якості закладних деталей.

Для отримання експериментальних результатів були запроектовані й виготовлені зразки залізобетонних плит зі сталевим обрамленням із розмірами 2000 х 500. Плити виготовлялись на горизонтальній поверхні без застосування опалубки. У результаті вимірювання переміщень посередині прольоту й у крайніх волокнах досліджуваних зразків одержано графіки залежності деформацій від навантаження, які свідчать про те, що на всіх етапах завантаження бетон і сталь працювали сумісно. Результатом досліджень є встановлені фактичні значення моменту утворення перших тріщин, залежності прогинів та навантаження, значення згинальних моментів, при яких відбулося повне руйнування конструкцій. При навантаженнях більше ніж 80% від руйнуючого, починали утворюватись незначні тріщини в тілі плит усіх серій.

При навантаженнях, що відповідали руйнуючим ММu, можна було відзначити значні деформації плит, прогини досягнули більше ніж 3 см, після чого конструкції втрачали свою несучу здатність. Руйнування досліджуваних елементів відбулося не крихко на відміну від залізобетонних елементів із традиційним армуванням, плити продемонстрували здатність витримувати зростаюче навантаження при значних деформаціях.

У цілому досліджувані плити на всіх ступенях завантаження працювали як єдина монолітна конструкція, при цьому можна чітко відзначити сумісність роботи сталевого обрамлення із залізобетонною плитою, оскільки не спостерігалися відриви залізобетонної складової від сталевого обрамлення. Характер роботи плити свідчить про надійність конструкції.

5. Експериментальне дослідження наскрізних сталезалізобетонних конструкцій, виконаних у незнімній опалубці

Особливістю запропонованої наскрізної конструкції (патент №24606) є застосування листової сталі як опалубки при бетонуванні, а після затвердіння бетону - як несучої арматури. Можливі два способи армування: у площині конструкції та в перпендикулярному напрямку. Конструкція може виготовлятися в горизонтальному положенні як на заводі залізобетонних виробів, так і безпосередньо на будівельному майданчику з використанням листової арматури в якості опалубки.

Запропонований також варіант колони, зібраний з окремих лінійних елементів із листовим армуванням за допомогою зварювання складових частин. За цим принципом розроблені й інші типи наскрізних конструкцій: арка (патент №24783), підкроквяна ферма (патент №25119).

Експериментально дослідити несучу здатність наскрізних сталезалізобетонних центрально й позацентрово стиснутих елементів і згинальних елементів з двома видами завантаження: при згині схема 1 та 2 з відстанями між силами відповідно 0,5 і 1,5 м, при стиску схема 1 - позацентровий та схема 2 - осьовий стиск. Дослідні зразки виконані у двох варіантах (рис. 8): монолітний варіант 1 - конструкція виготовлена в цілому з використанням зовнішньої листової арматури в якості незнімної опалубки; варіант 2 - зразки виготовлені з окремих лінійних сталезалізобетонних елементів із зовнішнім листовим армуванням.

За результатами статичного розрахунку досліджуваних елементів установлені місця розташування максимальних згинальних моментів, у яких розміщувались електротензорезистори та вимірювальні прилади. Критерієм несучої здатності згинальних наскрізних сталезалізобетонних елементів вважалася сила N, що відповідала появі тріщин у вузлах конструкції й повному її руйнуванні.

При досягненні граничного стану за несучою здатністю розвивалися значні переміщення, які можна було спостерігати візуально.

Слід відмітити, що на початкових ступенях завантаження деформації розвивалися за прямолінійною залежністю, що говорило про їх пружний характер. При досягненні навантажень 60-70% від граничного за несучою здатністю в сталевих листах розпочали розвиватися пластичні деформації, які супроводжувалися виникненням волосяних тріщин у бетоні. При цих навантаженнях графіки залежностей розпочали викривлятися. На всіх етапах завантаження сталеві листи і бетон працювали сумісно. Характер деформування конструктивних елементів, виконаних у монолітному й збірному варіантах, був однаковим.

Результати експериментальних досліджень свідчать про те, що запропоновані типи згинальних рамних конструкцій, які виготовляються в незнімній опалубці, з успіхом можуть використовуватися в будівництві для перекриття значних прольотів.

Несуча здатність стиснутих зразків суттєво залежала від схеми завантаження. Вигини стиснутих рамних конструкцій при обох варіантах завантаження як у їх площині, так і з площини практично не проявлялися. Дослідні конструкції під час випробування не втрачали загальної стійкості, тому що їх несуча здатність втрачалася від місцевого руйнування, а діючі на цей момент зовнішні зусилля не досягали критичних значень.

6. Розрахунок несучої здатності й переміщень залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці

Розрахунок сталезалізобетонних конструкцій може виконуватись такими методами:

- з використанням розрахункової деформаційної моделі;

- з урахуванням граничних зусиль у бетоні, арматурі й сталі, виходячи з їх пластичної роботи;

- за приведеним до сталі перерізом.

На сьогодні досить грунтовно розроблені та дістали широке розповсюдження чисельні розрахунки несучих конструкцій з використанням методу кінцевих елементів за допомогою ЕОМ.

Питання щодо розрахунку залізобетонних конструкцій в незнімній опалубці є досить складним. При його вирішенні розглянуті головні типи стиснутих та згинальних елементів при різних видах їх армування.

У дисертації окремо розглянуті питання, пов'язані з розрахунком трубобетонних конструкцій. Оскільки роль сталевої труби в трубобетоні зводиться головним чином до стримування поперечного розширення бетонного ядра, а з теорії міцності бетону відомо, що із підвищенням поперечного стискування міцність бетону може значно зростати, то головну роль у несучій здатності трубобетонного елемента повинна виконувати робота сталевої труби в поперечному напрямку. Цього можна досягти шляхом регулювання геометричних і механічних параметрів трубобетонного елемента. Наприклад, трубобетонні елементи з тонкостінними сталевими трубами є ефективнішими, оскільки внаслідок потужного дилатаційного ефекту в цих елементах сталева труба чинить опір тільки в поперечному напрямку. Тому, в загальному випадку при розрахунку стиснутих трубобетонних елементів слід використовувати формулу:

N = Rb Ab + Rs As, (1)

де Rb Ab - несуча здатність бетонного ядра при стиску; Rs As - несуча здатність на стиск сталевої труби; , - коефіцієнти ефективності.

Запропоновані методи визначення коефіцієнтів ефективності і сталі й бетону базуються на теоремах і постулатах механіки суцільного деформованого середовища, у першу чергу на методах теорії пластичності та теорії міцності. Вони враховують особливість роботи трубобетонного елемента як внутрішньо статично невизначеної системи.

Математичний апарат фундаментальних методів максимально структурований. Він і цілком, і за складовими частинами розрахункової несучої здатності трубобетонного елемента має чіткий фізичний смисл та не потребує застосування емпіричних коефіцієнтів. Тому фундаментальні методи універсальні, володіють високою точністю й мають аналітично бездоганний, завершений вигляд.

При розрахунку позацентрово стиснутих елементів використовується відома умова:

 (2)

де Npb - несуча здатність трубобетонного елемента; y - границя текучості металу труби; r - радіус труби; ts - товщина стінки труби.

Положення нейтральної осі (значення кута ) визначається з умови:

e0 + r cos = M / N.

Методика визначення напружено-деформованого стану сталебетонних елементів із листовим армуванням при осьовому стисненні побудована на експериментальних дослідженнях центрально стиснутих зразків. Уважаємо, що метал і бетон надійно з'єднані й через цю межу відбувається вплив однієї складової поперечного перерізу на інші. Із графіків залежності поздовжніх та поперечних деформацій від навантаження встановлено, що вони мають криволінійний характер, тобто дослідні зразки працюють як у пружній ( 60% від руйнівного зусилля), так і в пластичній стадії. Тому ці дві стадії роботи дослідних зразків розглянуті окремо.

У пружній стадії поздовжні та поперечні напруження можна визначити за узагальненими формулами закону Гука, які мають вигляд:

;

; (3)

,

де х, у, z - деформації вздовж відповідних осей; x, у, z - напруження вздовж відповідних осей;

;

;

Ei, і - модуль пружності та коефіцієнт поперечної деформації і-го матеріалу; і = s, s1, b - матеріали, які утворюють поперечний переріз.

У випадку, коли залежність деформацій від навантаження має криволінійний характер унаслідок розвитку пружно-пластичних деформацій, напруження визначаються з використанням теорії малих пружно-плаcтичних деформацій. Тоді залежності між окремими компонентами напружень та деформацій за формою аналогічні пружній стадії, але із заміною постійного модуля пружності Е на змінний модуль деформації Еґ. За цією методикою складено розрахункову програму для ПЕОМ.

Запропонована методика розрахунку стиснутих елементів зі сталевих двотаврів із боковими порожнинами, заповненими бетоном. Метод розрахунку за деформованою схемою найбільш точно відображає дійсну картину деформування елементів. Він допускає роботу стиснутих елементів у пружно-пластичній стадії до моменту досягнення граничних деформацій. Згідно з цим методом визначається схема деформування геометричної осі елементів під дією навантаження з урахуванням фізико-механічних характеристик кожної елементарної ділянки сталевого двотавра, стрижневої арматури та бетону.

Розрахунок сталезалізобетонних стиснутих елементів виконується з урахуванням деформаційної моделі поперечного перерізу елементів, що включають:

- рівняння рівноваги зовнішніх та внутрішніх сил у нормальному перерізі;

- умови деформування нормального перерізу;

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

Для визначення напружено-деформованого стану в нормальному перерізі використовуються два рівняння рівноваги:

- рівняння рівноваги проекції всіх сил на поздовжню вісь конструкції;

- рівняння рівноваги моментів відносно якої-небудь вибраної осі в перерізі конструкції, що перпендикулярна площині дії згинального моменту.

При розрахунку сталезалізобетонних конструкцій у загальному випадку переріз конструкції розглядається як набір елементарних ділянок бетону (з індексом ), із стрижнів арматури (з індексом ) та з елементарних ділянок сталевої частини конструкцій (з індексом). В цьому випадку рівняння рівноваги мають вигляд:

; (4)

, (5)

де - зовнішня поздовжня сила; - відстань від сили до вибраної осі О-О, що розташована в межах перерізу конструкції, відносно якої визначаються моменти внутрішніх сил у бетоні, сталі та арматурі з урахуванням вигину; , , - площа елементарних ділянок відповідно бетону, сталі й арматури; ,,- відстань від вибраної моментної осі до центру ваги елементарних ділянок (відповідно бетону, сталі та арматури); , , - напруження на елементарних ділянках відповідно бетону, сталі й арматури.

Умова деформування нормального перерізу конструкції приймається у вигляді плоского повороту з лінійним розподілом деформацій за висотою перерізу від розглядуваних впливів.

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

Для врахування цього факту при розрахунках для побудови повної діаграми та визначення напружень в стиснутій частині бетону викорис-товується залежність, яку пропонує ЕN 1992 для опису діаграми стиску бетону:

, . (6)

Коефіцієнт в свою чергу буде дорівнювати:

. (7)

Для визначення деформації у вершині повної діаграми деформування, що відповідає призмовій міцності використовується залежність:

. (8)

При визначенні напружень в елементах сталевого тавра використовується діаграма Прандтля, тобто до настання деформацій, що відповідають границі текучості напруження дорівнюють , в разі переходу через межу текучості .

Перше рівняння рівноваги записане так:

(9).

де N - зовнішнє навантаження.

Моменти, які здатна сприймати кожна із складових поперечного перерізу відносно вибраної осі мають вигляд:

; (10)

; (11)

; (12)

; (13)

; (14)

. (15)

Друге рівняння рівноваги записане так:

, (16)

де M - згинальний момент, що виникає від зовнішнього навантаження.

Для реалізації цієї методики розроблена програма розрахунку на ЕОМ. Порівняння результатів експериментальних випробувань зразків, та теоретичних значень, отриманих за наведеною методикою показало, що співпадання експериментальних і теоретичних значень несучої здатності задовільне.

Розрахунок стиснутих сталезалізобетонних елементів може також виконуватись за граничними зусиллями із застосуванням двох умов рівноваги.

Запропоновані методи розрахунку залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці, що працюють на згин для всіх типів перерізів, які розглядалися в розділах, присвячених експериментальним дослідженням.

При випробуванні сталезалізобетонних балок на згин причиною руйнування по нормальному перерізу було досягнення напружень межі текучості сталевої арматури та відшарування вертикальної листової арматури з подальшим руйнуванням бетону в стиснутій зоні. Оцінка міцності елементів за граничними станами для вказаних форм руйнування може бути представлена на основі сумісного рішення рівноваги поздовжніх сил залежно від схеми внутрішніх зусиль. У цьому випадку розглядається дві розрахункові схеми зусиль і напружень нормального перерізу.

Висота стиснутої зони перерізу x визначається за формулою:

(17)

Висота стиснутої зони перерізу x визначається за формулою:

 (18)

Міцність нормального перерізу визначається з умови відносно центру ваги розтягнутої арматури:

; (19)

де Rsc - розрахунковий опір арматури при стиску; А's - площа стиснутої арматури; a' - захисний шар бетону.

Розроблена також методика визначення міцності нормальних перерізів згинальних елементів на основі нелінійної деформаційної моделі.

Методика розрахунку згинальних залізобетонних елементів в незнімній опалубці на поперечну силу базується на використанні формули:

(20)

Для розрахунку переміщень згинальних залізобетонних елементів у незнімній опалубці отримана формула:

(21)

Розроблені в дисертації алгоритми розрахунку дозволяють із достатньою точністю визначити зусилля руйнування й кривизну сталезалізобетонних стійок і балок та відобразити розподіл деформацій і напружень не лише в бетоні, але й у сталевій арматурі. За розробленою методикою складена програма розрахунку на ЕОМ, яка забезпечує задовільну збіжність результатів розрахунків з експериментальними даними.

7. Питання стійкості при розрахунку залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці

При будівництві залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці доводиться застосовувати відносно тонкі сталеві листи, що працюють як робоче армування, тому у випадку їх стиснення можуть виникати проблеми втрати ними місцевої стійкості. Розв'язання цієї задачі ускладнюється тим, що сталеві листи з одного, а то й з обох боків підкріплені бетоном, з яким вони працюють сумісно.

У роботі наведено основні рівняння теорії пружності відносно пластин, розв'язано рівняння стійкості за Б.М.Броуде, проаналізовані методи розрахунків стійкості за Eurocode 4.

Рівняння нейтральної рівноваги відносно прогину пластини щ виведено із системи відомих лінеаризованих рівнянь теорії пружності:

, (22)

де L1, L2, __ диференційні оператори:

(23)

При цьому Dij = cijh3/12 (i, j = 1, 2, 3); cij є функціями від E1, E2, G, .

Залежності цx та цy від прогину щ наступні:

(24)

Труднощі розв'язання такої задачі пов'язані з задоволенням граничних умов на поверхнях конструкції та розв'язанням складних трансцендентних рівнянь відносно критичних навантажень. Для вирішення окремих задач можна використати наближені методи, які несуттєво впливають на точність результатів. Один з них оснований на припущенні про слабкі залежності величин критичних навантажень від указаних вище крайових умов. У цьому випадку розв'язання рівняння можна прийняти у вигляді:

(25)

де б, в __ параметри хвилеутворення;

F __ функція, що задовольняє рівняння

Тоді відносно навантаження отримано вираз:

(26)

де:

(27)

Розв'язання диференційних рівнянь, що задовольняють граничні умови шарнірного обпирання пластини щ=0, Mx=0, цy=0, (x=0, b), знайдено у вигляді рядів Фур'є:

, (28)

де , ,

, - параметри хвилеутворення.

Вираз для отримання критичного навантаження одержуємо підстановкою (28) в (26) та інтегруванням за методом Бубнова-Гальоркіна відносно Wkn, і умовами:

, , .

За умови нетривіальності розв'язання отримаємо рівняння:

, (29)

де:

(30)

;

;

.

Проаналізувавши рівняння (18), можна встановити, що мінімальне значення N по відношенню до параметра хвилеутворення n реалізується при n=1. В такому випадку критичне навантаження буде визначатися мінімізацією правої частини (18) по відношенню до параметра k.

. (31)

Пластину можна вважати ізотропною, найчастіше товщина бетону значно більша за товщину сталевого листа. Тоді, використовуючи гіпотези Кірхгофа-Лява, рівняння (31) набуває значно простішого вигляду:

, (32)

Підставивши всі значення й мінімізувавши за k вираз (31), можна перевірити місцеву стійкість сталевих листів, що одночасно виконують функції як робочого армування, так і незнімної опалубки.

При дослідженні елементів без поздовжньої арматури стійкість стінки розглядалась як стійкість пластини на пружній основі, котра враховує сумісну роботу бетону та листової арматури. Розрахунки показують, що втрата місцевої стійкості сталевого листа, який сумісно працює із залізобетоном виникає при напруженнях, більших за зусилля текучості в сталевому листі. Це означає, що втрата місцевої стійкості відбувається не в пружній, а в пружно-пластичній та в пластичній стадії роботи конструкцій. Утрата стійкості сталевого листа, який сумісно працює із залізобетонною основою, відбувається одночасно з утратою несучої здатності всієї конструкції.

8. Проектування, будівництво й випробування несучих залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці та аналізу їх техніко-економічної ефективності

Вже було відзначено, що конструкції в незнімній опалубці, в яких опалубка одночасно виконує функції несучого армування, дуже різноманітні. Однак можна підтвердити очевидні переваги деяких конструктивних рішень, які дають змогу рекомендувати той чи інший тип конструкції для застосування її в конкретних умовах певної споруди. Наприклад, незаперечним є той факт, що раціональним є застосування трубобетону при будівництві колон, котрі сприймають великі навантаження при малих ексцентриситетах. При проектуванні згинальних конструкцій слід намагатися, щоб бетон у цьому випадку працював тільки на стиск, а робоче армування було винесене за межі поперечного перерізу бетону. Ця вимога значною мірою реалізується в сталезалізобетонних балках, армованих листами, та в плитах з армуванням профільованими листами. Завжди є раціональним проектування конструкцій таким чином, щоб удавалося повністю уникати застосування не тільки опалубки, але й підтримуючих риштувань, що цілком можливе при використані сталезалізобетону.

Розглянуто питання проектування та будівництва трубобетонних конструкцій, наведено приклади його застосування в будівлях і спорудах. Розроблено стики й вузли, необхідні для проектування реальних трубобетонних конструкцій.

Розглянуті приклади проектування й будівництва стиснутих конструкцій з армуванням сталевими листами та прокатними профілями. Такі конструкції застосовані при будівництві низки промислових будівель в Україні, що підтверджено актами на їх упровадження у виробництво.

Розглянута конструктивна ефективність нових сталезалізобетонних балкових конструкцій, розрахованих та запроектованих за участю автора. Такі види несучих конструкцій із зовнішнім листовим армуванням, запропоновані та підтверджені деклараційними патентами України №24254, №24609, №24783 і № 25119. Проекти сталезалізобетонних ригелів розроблялись переважно для будівель харчової й переробної промисловості, розміщених у стиснених умовах діючого підприємства, обмежених габаритами вже забудованого майданчика. Для невеликих серій таких збірних ригелів невигідне виготовлення нової металевої опалубки й, за узгодженням із замовником, часто буває доцільним використання незнімної опалубки.

Суть запропонованої конструкції, на яку було отримано патент №26142, полягає у застосуванні в якості стиснутого пояса ригеля сталезалізобетонного елемента - залізобетонної полиці в незнімній опалубці, що в поєднанні з двотавровим зварним профілем утворює комплексну сталезалізобетонну конструкцію. Застосування цих сталезалізобетонних ригелів дозволяє знизити вартість будівництва і трудомісткість будівельних робіт завдяки раціональному використанню матеріалу, оскільки відсутній розтягнутий бетон, який у розрахунках на несучу здатність не враховується.

З метою перевірки відповідності дійсної роботи у складі покриття результатам теоретичного розрахунку були проведені натурні випробування сталезалізобетонного ригеля на Світловодському заводі швидкомонтовних будівель. За результатами, отриманими експериментальним і теоретичним шляхом, був побудований порівняльний графік залежності прогину ригеля від величини згинального моменту. Експериментальний прогин ригеля при експлуатаційному навантаженні (Мн = 2650 кНм) дорівнював 3,8 см (1/475 прольоту). Він дещо менший від теоретично визначеного прогину - 4,8 см (1/375 прольоту).

Техніко-економічний аналіз запропонованих та досліджених варіантів залізобетонних конструкцій в незнімній опалубці довів їх високу ефективність. При застосуванні трубобетонних конструкцій значно скорочуються витрати бетону та в кілька разів зменшуються працевитрати. При застосуванні інших варіантів стиснутих і згинальних залізобетонних конструкцій в незнімній опалубці дещо збільшуються витрати металу, але різко знижуються працевитрати та зменшується вартість. Практика впровадження сталезалізобетонних ригелів у будівництво довела ефективність їхнього використання з метою зменшення терміну будівництва, мінімізації ваги каркаса, обсягу бетонних робіт при підвищенні вогнестійкості.

Технологія виготовлення та будівництва залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці принципово не відрізняється від традиційних залізобетонних конструкцій. У більшості випадків при застосуванні сталезалізобетонних конструкцій удається обійтися без попереднього напруження. Залізобетонні конструкції у незнімній опалубці можуть ефективно застосовуватися при будівництві більшості будівель та споруд як у промисловому, так і цивільному будівництві.

Висновки

залізобетонний анкерний опалубка прокатний

Результатами дисертації є отримані дані про роботу залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці. Дисертація має експериментально-теоретичний характер. Проведені дослідження дозволили виявити особливості поведінки залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці, розробити методи їх розрахунку. Створено новий клас конструкцій та вирішена важлива народно-господарська проблема використання незнімної сталевої опалубки в якості робочої арматури. За результатами проведених експериментальних і теоретичних досліджень зроблені наступні висновки.

1. На основі аналізу сучасного стану будівництва доведена доцільність використання залізобетонних конструкцій у незнімній опалубці за умови, що вона одночасно виконує функції робочого армування, та розроблена класифікація цих конструкцій.

2. Розроблені й підтверджені патентами нові типи залізобетонних конструкцій, котрі виготовляються в незнімній опалубці, зокрема сталезалізобетонні плити перекриттів, та наскрізних конструкцій, сталезалізобетонні конструкції, в яких сумісна робота бетону та сталі забезпечена за рахунок склеювання.

3. На основі експериментальних досліджень отримані нові дані про особливості роботи різноманітних конструктивних залізобетонних елементів у незнімній опалубці. Встановлено, що при експлуатаційних навантаженнях усі вони працюють в основному в пружній стадії.

4. Ефективними з точки зору роботи під навантаженнями виявилися згинальні залізобетонні конструкції в незнімній опалубці. Заслуговують на увагу балки з листовим армуванням і балки з використанням прокатних профілів, які можуть будуватися в збірно-монолітному варіанті. Особливо ефективними є монолітні залізобетонні плити по профільованому настилу.

5. Як показали результати експериментальних досліджень, у будівництві можуть ефективно використовуватися запропоновані автором нові типи наскрізних рамних конструкцій (несучі конструкції покриттів та колон), армованих у якості незнімної опалубки сталевими листами.

6. Як підтверджують результати експериментів, існуючі анкерні засоби забезпечують сумісну роботу бетону й сталі в залізобетонних конструкціях у незнімній опалубці. Враховуючи, що всі вони є досить нераціональними як з точки зору витрати сталі, так і праці при їх улаштуванні, раціональним слід уважати запропонований у цій роботі метод забезпечення сумісної роботи бетону й сталі за допомогою склеювання. Результати проведених експериментальних досліджень свідчать про надійність та перспективність цього методу.

...