Міцність прямокутних залізобетонних шпонок з урахуванням особливостей армування і обтиснення

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.073:621.886

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Міцність прямокутних залізобетонних шпонок з урахуванням особливостей армування і обтиснення

Карабаш Леонід Віталійович

Полтава 2011

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Довженко Оксана Олександрівна, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, доцент кафедри залізобетонних і кам'яних конструкцій та опору матеріалів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Азізов Талят Нуредінович, Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини, завідувач кафедри техніко-технологічних дисциплін;

кандидат технічних наук, доцент Жорняк Микола Сидорович, Кременчуцький національний університет імені Михайла Остроградського, доцент кафедри геодезії, землевпорядкування та кадастру.

Захист дисертації відбудеться „07” червня 2011 р. о 15 00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд. 218.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий „04” травня 2011 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради Ю.Л. Винников



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливими конструктивними елементами несучих систем, які забезпечують спільну роботу конструкцій будівель і споруд та сприймають зусилля зсуву, є стикові з'єднання. Насамперед це шпонкові стики, на несучу здатність яких впливає ряд визначальних факторів, а саме: характеристики міцності окремих шпонок (співвідношення їх розмірів, кут нахилу опорних поверхонь, форма робочого перерізу, міцність бетону, особливості армування (місце розташування арматури, нагельний ефект у ній), ступінь обтиснення, а також товщина шва та нерівномірність розподілу зусилля за довжиною стику. Досить широке розповсюдження шпонкових з'єднань у стиках плит перекриттів і покриттів, ригелів із колонами і колон з плитною частиною фундаментів, горизонтальних і вертикальних стиках стінових панелей, контактних швах збірно-монолітних конструкцій, стиках плит оболонок між собою та бортовими елементами та інші, обумовлює науковий інтерес до проблеми розрахунку їх міцності.

Забезпечення надійної сумісної роботи несучих елементів конструктивних систем має особливе значення при реконструкції об'єктів.

Нормативна методика розрахунку міцності шпонкових з'єднань носить емпіричний характер, не дозволяє в достатньо повному обсязі враховувати зазначені фактори, що часто призводить до суттєвої розбіжності з експериментальними даними.

Тому вдосконалення розрахунку міцності зазначених стиків є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами. Тема дисертації пов'язана з науково-дослідними програмами Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка „Дослідження і розроблення інженерних методів розрахунку опору руйнуванню і деформуванню бетонних і залізобетонних елементів, що зазнають неоднорідний напружено-деформований стан при різному характері впливів та середовища” (номер держреєстрації 0118 U 098019), „Розробка інженерних методів розрахунку міцності бетонних і залізобетонних елементів при складних і неоднорідних напружено-деформованих станах на основі непружних дилатаційних моделей деформування бетону” (номер держреєстрації 0193 U 009184).

Мета та задачі досліджень. Метою роботи є вдосконалення розрахунку міцності прямокутних бетонних (залізобетонних) шпонок на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону та експериментальних досліджень.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

отримати рішення задач із визначення граничного навантаження для:

- бетонних шпонок з урахуванням ступеня обтиснення;

- залізобетонних шпонок з урахуванням особливостей армування (кількості та характеру розташування арматури за висотою перерізу, наявності нагельного ефекту);

експериментально дослідити деформований стан бетону (арматури), характер руйнування, визначальні фактори міцності (вид і клас бетону, кількість і розміщення арматурних стержнів за висотою шпонки, ступінь обтиснення) прямокутних шпонок;

проаналізувати збіжність отриманих теоретичних рішень з дослідними даними. бетонний шпонка деформований арматура

Об'єкт дослідження - прямокутні бетонні та залізобетонні шпонки.

Предмет дослідження - міцність бетонних (залізобетонних) шпонок.

Методи дослідження - методи механіки твердого деформованого тіла, варіаційний метод теорії пластичності бетону, експериментальні дослідження, порівняльний аналіз отриманих теоретичних та експериментальних даних.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- вперше на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону розв'язано задачу з визначення граничного навантаження окремих шпонок з урахуванням характеру розташування арматури за висотою перерізу шпонки та нагельного ефекту, а також ступеня обтиснення;

- отримано нові експериментальні дані про деформований стан, характер руйнування та граничне навантаження окремих бетонних (залізобетонних) шпонок;

- удосконалено методику розрахунку міцності шпонкових стиків, яка базується на розгляді характеру руйнування та врахуванні визначальних факторів міцності.

Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що запропонована методика розрахунку дозволяє:

- розв'язувати задачі міцності прямокутних бетонних (залізобетонних) шпонок у широких межах зміни визначальних факторів;

- виявити резерви міцності шпонкових стиків;

- оптимізувати конструктивні рішення окремих шпонок.

Результати дослідження впроваджені:

- при розробленні технічних умов на залізобетонні конструкції збірно-монолітного безбалкового каркасу системи „КУБ-2,5” корпорацією „Полтавабудінвест” (аналіз та оцінювання міцності конструктивних рішень стикових з'єднань);

- при оцінюванні міцності та надійності конструктивних рішень стикових з'єднань збірно-монолітних конструкцій державним проектним інститутом містобудування „Міськбудпроект”, м. Полтава.

Особистий внесок здобувача:

- вдосконалена методика розрахунку міцності окремих шпонок;

- на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону отримані рішення задач із визначення граничного навантаження прямокутних залізобетонних шпонок з різною кількістю та розташуванням арматури за висотою перерізу, з урахуванням нагельного ефекту, а також ступеня обтиснення бетонних шпонок;

- розроблена методика та отримані результати експериментальних досліджень деформованого стану, характеру руйнування та граничного навантаження окремих бетонних (залізобетонних) шпонок;

- проаналізована збіжність теоретичної міцності з дослідною.

Апробація роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на: 58-62 наукових конференціях професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів і студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2006-2010 рр.); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні наукові дослідження - 2006” (м. Дніпропетровськ, 2006 р.); науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження д.т.н., професора Єременка П.Л. (м. Одеса, 2006 р.); ІІ Міжнародній науково-технічній інтернет-конференції „Будівництво, реконструкція та відновлення будівель міського господарства” (м. Харків, 2007 р.); V Всеукраїнській науково-технічній конференції „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (Київ - Полтава, 2007 р.); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції „Проблеми теорії споруд, проектування, будівництва та експлуатації мостів” (м. Київ, 2008 р.); Міжнародній науково-технічній конференції „Динаміка та міцність машин, будівель, споруд” (м. Полтава, 2009 р.).

Достовірність результатів дослідження підтверджується значним обсягом експериментальних досліджень і результатами порівняльного аналізу отриманих теоретичних рішень із дослідними на прикладі 121 зразка.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 6 наукових працях, у т.ч. 5 наукових публікацій - у спеціалізованих виданнях, внесених до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, одного додатку та списку використаних джерел із 181 найменування. Робота викладена на 186 сторінках, зокрема 101 сторінці основного тексту, та містить 81 рисунок і 25 таблиць.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, визначена мета та задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність роботи, подана її загальна характеристика.

У першому розділі виконано аналітичний огляд вітчизняних і закордонних досліджень з питань міцності шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів.

Дослідженням роботи окремих шпонок і шпонкових з'єднань присвячені праці ряду авторів: Г.І. Ашкінадзе, П.М. Бобришева, В.О. Бондарева, І.Л. Герасимової, Е. Горачека, О.О. Довженко, В.С. Єськова, В.Г. Кваші, П.М. Коваля, В.І. Коноводченка, М.М. Коровіна, В.І. Лишака, Н.Г. Мартинової, Л.С. Махвіладзе, В.П. Митрофанова, В.В. Погрібного, С.В. Полякова, М. Поммере, Д. Пуме, В.Н. Рожка, І.О. Рохліна, О.В. Черкашина, О.В. Яшина, D.L. Araujo, S.C. Chakrabarti, J. Cristofferson, E. Makitani, S.H. Megally, A. Muzikami, Y. Naotaka, T. Norimono, W. Qi, S.H. Rizkalla, R.L. Serette та ін.

Відповідно до експериментальних даних на міцність окремих шпонок впливають геометричні розміри та їх співвідношення, форма шпонкового профілю, кут нахилу опорних поверхонь, характеристики міцності бетону (вид і клас бетону), ступінь обтиснення (розтягання), особливості армування (кількість і місце розташування арматури, нагельний ефект), умови на опорних поверхнях.

Діюча нормативна методика розрахунку, як правило, суттєво недооцінює міцність шпонок (до 30%) і не враховує специфіку напруженого стану зони руйнування та повну сукупність зазначених визначальних факторів, зокрема, розташування арматури за висотою перерізу, нагельний ефект в арматурі. Неоднозначним є також урахування обтиснення та ін.

Другий розділ присвячено результатам теоретичних досліджень міцності прямокутних шпонок варіаційним методом у теорії пластичності бетону, розробленим в Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка та апробованим при розрахунках міцності бетонних (залізобетонних) і кам'яних (армокам'яних) конструкцій та їх елементів при зрізі та місцевому стисненні.

В основу методу покладені наступні положення:

1. До бетону в стадії руйнування застосовується передумова про ідеальну пластичність. Якісним критерієм можливості її застосування при розрахунках міцності можна вважати імовірність існування (протягом хоча б миті) умови пластичності (міцності) у всій області граничного стану бетону, що повністю перетинає тіло та розвиток якої необхідний для перетворення його в кінематичний механізм. Таким чином, зовні крихкий характер руйнування не є перешкодою для застосування теорії пластичності;

2. Приймається умова пластичності (міцності) бетону Баландіна-Генієва

, (1)

де ; ; Т - інтенсивність дотичних напружень; у - середнє напруження;

3. Зв'язок між швидкостями деформацій і напруженнями випливає з асоційованого закону плинності

. (2)

Швидкість об'ємної деформації не дорівнює нулю внаслідок дилатації (збільшення об'єму) бетону, що враховується розрахунковою моделлю;

4. Використовується схема жорстко-пластичного тіла;

5. Розглядаються непереармовані залізобетонні конструкції та елементи, котрі мають таку інтенсивність армування, що в стадії руйнування бетону досягається граничний стан арматури.

При відсутності інерційних і масових сил функціонал методу виглядає як

, (3)

де - питома потужність пластичного деформування бетону; , - сили та швидкості, що задаються відповідно на ділянках і поверхні тіла .

Найпростішим є розв'язок у розривних функціях швидкостей.

Послідовність розв'язання задачі міцності розглянемо на прикладі визначення граничного навантаження прямокутної бетонної обтиснутої шпонки. Приймається кінематично можлива схема руйнування (рис. 1), що включає два диски, розмежовані між собою поверхнею руйнування АВС (поверхнею розриву швидкостей). Диск І переміщується відносно диску ІІ зі швидкістю V(Vx, Vy). На площадці ВС діють граничні нормальні u й дотичні u напруження, котрі визначаються згідно умови міцності бетону Баландіна-Генієва. Площадку АВ вважаємо за головну з напруженнями розтягу u = Rbt.



Рис. 1. Кінематично можлива схема руйнування прямокутних бетонних обтиснутих шпонок

Обтиснення враховується як зовнішнє рівномірно розподілене за висотою шпонки навантаження .

Невідомими параметрами даної задачі є граничне навантаження qu, кути нахилу площадки АВ і площадки ВС до вертикалі, відношення швидкостей .

Знаходимо площі ділянок руйнування:

(4)

- (5)

і розриви швидкостей на площадках АВ і ВС:

(6)

(7)

Записуємо функціонал методу та прирівнюємо його до 0:

(8)

Отримаємо формулу для розрахунку граничного навантаження:

, (9)

тут .

Щоб урахувати наявність повороту в кінематиці граничного стану шпонки використовуються додаткові умови у вигляді рівняння моментів сил, які прикладені до частини шпонки, відсіченої поверхнею розриву швидкостей АВС. При цьому, в якості моментних точок використовуємо точки В, О, Д.

(10)

; (11)

(12)

Рис. 2. Залежність міцності шпонки від величини обтиснення для

Граничне навантаження та невідомі параметри знаходимо шляхом пошуку умовного екстремуму функції (9) за виконання умов (10)-(12) і методом Ньютона.

Теоретична залежність міцності шпонки від рівня обтиснення для представлена на рис. 2. Зі збільшенням рівня обтиснення міцність шпонок зростає, та змінюється геометрія руйнівної поверхні: збільшується кут б і зменшується кут в, а також відношення швидкостей .

Арматура може враховуватися аналогічно обтисненню. Розв'язані задачі міцності залізобетонних шпонок з двома варіантами розташування арматури за їх висотою: в один ярус по середині висоти та у два яруси. Граничне навантаження при цьому визначається за п. 1-2 табл. 1.



Рис. 3. Залежність міцності залізобетонної шпонки від відсотку армування

Графік залежності теоретичної міцності шпонки від відсотку армування представлений на рис. 3. Запропоноване теоретичне рішення реалізується при та .

Здійснено теоретичне урахування нагельного ефекту при одноярусному армуванні (п. 3, табл. 1) в задачі міцності залізобетонної шпонки.

Граничний стан арматури при цьому визначається характером її напруженого стану поблизу точки перетину арматури поверхнею руйнування бетону, в якій арматура, крім поздовжньої Ns, сприймає певну поперечну силу Qs .

Рис. 4. Розрахункова схема поздовжньої арматури в зоні похилої тріщини



Робота арматурних стержнів у цій точці аналізувалася В.П. Митрофановим. Він показав, що невелика, в порівнянні з навантаженням, поперечна (нагельна) сила арматури Qs викликає появу в ній істотного вигину з максимальним моментом Мsmax у перерізі, віддаленому від місця перетину на відстань х0, де й розвивається стан текучості арматури від спільної дії сил Ns і Мsmax (рис. 4).

Умова текучості арматури у вигляді залежності між граничними силами Ns і Qs має вигляд:

, (13)

де кв=0,338 у випадку важких бетонів і кв=0,284 при бетонах на пористих заповнювачах.

При цьому важливим фактом є те, що згідно виразу (13), нагельна сила арматури Qs може суттєво знижувати граничну поздовжню силу Ns, що, як правило, не враховується в розрахунках залізобетонних шпонок.

Таблиця 1 - Міцність залізобетонних шпонок

№ п/п	Кінематично можлива схема руйнування	Формула для визначення граничного навантаження
1	Арматура розташована в один ярус Арматура розташована у два яруси за висотою
2
3	Арматура розташована в один ярус. Враховано нагельний ефект
4	Арматура розташована у два яруси. Нагельний ефект враховано в арматурі нижнього ярусу

Поздовжнє та поперечне зусилля в арматурі визначаються за формулами:

; (16)

. (17)

Сумісне врахування поперечного Qs і поздовжнього Ns зусиль в арматурі, розташованій по середині висоти шпонки, порівняно із розрахунком за умови Qs=0, Ns=уyAsw при мsw?0,015 зменшує міцність шпонки до 4%, при мsw=0,020ч0,025 - збільшує до 6 %, а при мsw=0,015ч0,020 отримані однакові значення граничного навантаження.

Розв'язана задача міцності залізобетонних шпонок із урахуванням нагельного ефекту лише в арматурі нижнього ярусу при двоярусному її розташуванні (п. 4, табл. 1). Тут отримано збільшення міцності шпонки до 8%.

При розв'язанні кожної задачі відповідні зміни вносяться і до умов рівноваги: .

Третій розділ присвячено методиці виконання експериментальних досліджень. Їх метою було підтвердження прийнятих у теоретичних рішеннях кінематичних схем руйнування елементів і вивчення впливу виду та класу бетону, ступеня обтиснення, кількості поперечної арматури, особливостей її розміщення за висотою перерізу на характер руйнування та граничне навантаження шпонок.

Було виготовлено 5 серій хрестоподібних зразків двох типів у загальній кількості 50 штук. У 1-ій - 3-ій серіях вивчався вплив армування на міцність шпонок, при цьому співвідношення становило 0,25, що мало забезпечити руйнування зразків від зрізу (рис. 5, а).

Рис. 5. Загальний вигляд, схема навантаження та розміщення тензорезисторів на бетоні: а - для залізобетонних шпонок; б - для обтиснутих бетонних шпонок

У межах серії варіювався коефіцієнт армування мsw=0ч0,0103. При цьому поперечна арматура в каркасах дослідних зразків була підібрана таким чином (рис. 6), що 2 стержня, розташовані по середині висоти шпонки за площею відповідають 4 стержням, які розміщені по 2 у верхній та нижній частинах шпонки. Арматуру надійно заанкеровано.

Рис. 6. Схеми розміщення тензорезисторів на арматурних каркасах залізобетонних шпонок: а - тип І; б - тип ІІ

Крім залізобетонних у кожну серію входило по 2 еталонних бетонних зразка.

Серії відрізнялися між собою видом і класом бетону: використовувався важкий (в тому числі підвищеної міцності) та керамзитобетон.

4-а та 5-а серії виготовлялися з метою вивчення впливу величини обтиснення на міцність шпонок. Тут висота шпонки варіювалася в межах hк= 50…300 мм, lк =50 мм і була постійною, що приводило до зміни співвідношення в експерименті в межах 0,3-1 (рис. 5, б).

Параметри дослідних зразків представлені в табл. 2 і 3.



Таблиця 2 - Експериментальні параметри дослідних зразків 1 - 3 серій

Шифр зразка	, МПа	, МПа	, мм 2	, МПа	, %	Граничне навантаження, Qu, кН	, МПа
Перша серія
ОШ-1-Л-б-1	10	1,19	2Ч29651	-	-	104	1,75
ОШ-1-Л-б-2			2Ч30150	-	-	120	1,99
ОШ-1-Л-а 0,34-1			2Ч30000	260	0,3367	158	2,63
ОШ-1-Л-а 0,39-2			2Ч30906	280	2Ч0,1935	220	3,56
ОШ-1-Л-а 0,76-1			2Ч31008	250	0,7597	258	4,16
ОШ-1-Л-а 0,67-2			2Ч30200	260	2Ч0,3344	262	4,34
ОШ-1-Л-а 1,03-1			2Ч30502	240	1,0267	310	5,08
ОШ-1-Л-а 1,03-2			2Ч30150	255	2Ч0,5173	320	5,31
Друга серія
ОШ-2-Л-б-1	23,54	1,51	2Ч30600	-	-	140	2,29
ОШ-2-Л-б-2			2Ч31212	-	-	100	1,60
ОШ-2-Л-а 0,34-1			2Ч31775	260	0,3367	260	4,09
ОШ-2-Л-а 0,39-2			2Ч30200	280	2Ч0,1935	320	5,30
ОШ-2-Л-а 0,76-1			2Ч30502	250	0,7597	400	6,56
ОШ-2-Л-а 0,67-2			2Ч31465	260	2Ч0,3344	280	6,75
ОШ-2-Л-а 1,03-1			2Ч32200	240	1,0267	429	6,66
ОШ-2-Л-а 1,03-2			2Ч31916	255	2Ч0,5173	370	7,37
Третя серія
ОШ-3-В-б-1	56,9	2,65	2Ч32000	-	-	250	3,91
ОШ-3-В-а 0,34-1а			2Ч28275	260	0,3367	480	8,49
ОШ-3-В-а 0,39-2а			2Ч29250	260	2Ч0,1935	550	9,40
ОШ-3-В-а 0,34-1б			2Ч30000	280	0,3367	600	10,0
ОШ-3-В-а 0,39-2б			2Ч30000	280	2Ч0,1935	590	9,83

Для вимірювання деформацій поперечної арматури на стержнях були наклеєні ланцюжком тензорезистори базою 5 (10) мм з двох діаметрально протилежних сторін (рис. 6). На бетон у площині зрізу наклеювалися тензорезистори базою 20 мм (рис. 5). В якості реєструючого пристрою використовувався ЦТМ-5.

Зразки випробовувалися в пресі ПГ-125 (рис. 7). Навантаження прикладалося через три шарніри: один розташований знизу на стовбурі зразка; два - зверху з обох боків стовбура симетрично.

Таблиця 3 - Експериментальні параметри дослідних зразків 4 та 5 серій

Шифр зразків	, МПа	, МПа		, мм 2	, МПа		Граничне навантаження, Qu, кН	, МПа
Четверта серія
ОШ-4-Л-0,5-0,23	23,4	2,3	0,5	2Ч15000	5,38	0,23	205	6,8
ОШ-4-Л- 0,5- 0,28				2Ч15000	6,55	0,28	240	8,0
ОШ-4- Л- 0,5- 0,32				2Ч15000	7,49	0,32	260	8,7
ОШ-4- Л-0,7-0,23			0,7	2Ч10780	5,38	0,23	145	6,7
ОШ-4-Л-0,7-0,23				2Ч9715	5,38	0,23	124	6,4
ОШ-4-Л- 0,8- 0,23			0,8	2Ч8540	5,38	0,23	100	5,9
ОШ-4-Л- 0,8- 0,34				2Ч8967	7,96	0,34	130	7,2
ОШ-4-Л-0,8-0,35				2Ч9750	8,19	0,35	140	7,2
ОШ-4-Л-1,0- 0,32			1,0	2Ч7700	7,49	0,32	98	6,4
ОШ-4-Л-1,0- 0,33				2Ч7500	7,72	0,33	105	7,0
П'ята серія
ОШ-5-В-0,3-0,04	22,5	2,25	0,3	2Ч22496	1,01	0,04	235	5,2
ОШ-5-В-0,4-0,09			0,4	2Ч18750	2,03	0,09	280	7,47
ОШ-5-В-0,4-0,14				2Ч18774	3,04	0,14	325	8,66
ОШ-5-В-0,5-0,18			0,5	2Ч15000	4,05	0,18	265	8,83
ОШ-5-В-0,5-0,32				2Ч15000	7,09	0,32	325	10,8
ОШ-5-В-0,6-0,09			0,6	2Ч12600	2,03	0,09	150	5,95
ОШ-5-В-0,6-0,18				2Ч12136	4,05	0,18	225	9,27
ОШ-5-В-0,6-0,32				2Ч12835	7,09	0,32	265	10,3
ОШ-5-В-0,7- 0,21			0,7	2Ч10792	4,76	0,21	136	6,3
ОШ-5-В-0,7-0,34				2Ч10290	7,65	0,34	156	7,6
ОШ-5-В-0,8-0,51			0,8	2Ч9135	9,55	0,42	132	7,2
ОШ-5-В-0,9-0,2			0,9	2Ч9060	4,58	0,2	104	5,7
ОШ-5-В-0,9-0,28				2Ч8880	6,18	0,28	108	6,1
ОШ-5-В-0,9-0,4				2Ч8690	8,94	0,4	125	6,9
ОШ-5-В-1,0-0,29			1,0	2Ч7803	6,47	0,29	90	5,6
ОШ-5-В-1,0-0,3				2Ч8316	6,64	0,3	92	5,5
ОШ-5-В-1,0-0,35				2Ч7800	7,79	0,35	95	6,1
ОШ-5-В-1,0-0,41				2Ч6987	9,22	0,41	105	6,7
ОШ-5-В-1,0-0,47				2Ч8056	10,6	0,47	105	7,5

Обтиснення шпонок здійснювалося до початку прикладання вертикального навантаження за допомогою пристрою, що складався із пластин з отворами та металевих тяжів. Рівень обтиснення контролювався за допомогою тензорезисторів на тяжах.

Моментом руйнування експериментального зразка вважався зріз шпонок.

Рис. 7. Зразок у пресі ПГ-125 під час випробування: а - ОШ-1-а2-1; б - ОШ-05-3

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень. Усі залізобетонні зразки зруйнувалися по перерізу, розташованому поблизу площини зрізу (рис. 8), та мали схожий характер тріщиноутворення. Руйнування супроводжувалося зміщенням бічних частин зразків відносно центральної при досягненні напруженнями в арматурі межі текучості. При рівні навантаження 0,5-0,6 Qu утворювалися початкові, ледь помітні тріщини в розтягнутій зоні під кутом 10-20° до вертикалі. Поверхня руйнування визначалася при рівні 0,8-0,9 Qu. Вона окреслювалася по кривій, близькій до вертикалі. Подальше збільшення навантаження призводило до різкого пришвидшення взаємного зміщення частин зразка та до інтенсивного зростання деформацій арматурних в'язей.

Міцність зразків із розташуванням арматури у два яруси по висоті перерізу шпонки виявилася більшою приблизно на 10%, порівняно з шпонками, в яких арматура розташовувалася по середині площини зрізу, однак на характер руйнування рознесення арматури не вплинуло.

З збільшенням відсотка армування від 0 до 1,03 міцність зразків зростає до 2 разів, а також збільшуються розміри зон стиску та розтягу, що узгоджується з отриманими теоретичними рішеннями.

Як видно з фото (рис. 8) зразків після випробування та графіків (рис. 9) поверхня руйнування бетону має стиснуту та розтягнуту зони. При навантаженнях, близьких до руйнівних, деформації бетону в зонах найбільшого стиснення досягають величини 100...300Ч10-5, причому більші значення деформацій, як правило, спостерігаються у зразках з 4 стержнями робочої арматури в площині зрізу. Отже, рознесення арматури за висотою елемента призводить до збільшення пластичних деформацій бетону до 50%.

Залежність відносних деформацій від рівня навантаження „Q/Qu - еb” викривляється (рис. 10), що свідчить про наявність пластичних зон, прийнятих у теоретичному рішенні. Зі збільшенням коефіцієнта армування пластичні деформації бетону в стиснутій зоні збільшуються, що співпадає з даними ряду авторів.



Рис. 8. Характер руйнування зразків першої серії

Напруження в усій арматурі в стадії руйнування досягали межі текучості. Активне включення арматурних стержнів у роботу проходило при рівнях навантаження 0,2-0,3Qu, тобто ще до появи перших тріщин, інтенсивне зростання деформацій відбувалося після утворення тріщини. У зразках з чотирма стержнями в арматурі, розміщеній у верхній частині шпонки, спостерігалися деформації більші ніж у стержнів, які розміщені по середині або в нижній частині дослідного зразка.



Рис. 9. Залежність відносних деформацій бетону від рівня навантаження „еb (еbt) - Q/Qu ”: а - у шпонці ОШ -1- Л - а 0,76 - 1 (2 12); б - у шпонці ОШ -1- Л - а 0,67 - 2 (4 8)

У зразках, армованих двома стержнями поперечної арматури, абсолютні значення її відносних деформацій при руйнуванні були на 20-40% менші ніж у аналогічних зразків, армованих чотирма стержнями. Аналіз графіків (різниця деформацій за тензодатчиками, котрі розташовані з двох діаметрально протилежних сторін одного стержня) дозволяє зробити висновок про наявність нагельного ефекту в арматурі нижнього та середнього ярусів.

Для ілюстрації впливу обтиснення на роботу шпонок наведені фото (рис. 11) дослідних зразків після випробування при постійних значеннях і різних ступенях обтиснення та приблизно одному ступені обтиснення з різним співвідношенням . Тут можна зробити висновок, що обтиснення принципово не змінює характер руйнування дослідних шпонок, при чому розширює ділянку до 1, коли вони руйнуються шляхом зрізу.

Отримані експериментальні дані свідчать про однаковий характер впливу обтиснення та армування на міцність шпонок.

Рис. 10. Залежність відносних деформацій арматури від рівня навантаження „еs - Q/Qu” в шпонці: в - ОШ - 1- Л - а 0,67 - 2 (4 ? 8) арматури, що розташована в нижньому ярусі.

б) б - ОШ - 1- Л - а 0,67 - 2 (4 ? 8) арматури, що розташована в верхньому ярусі;

а) а - ОШ - 1- Л - а 0,76 - 1 (2 ? 12);



Рис. 11. Характер руйнування зразків четвертої серії з керамзитобетону:

ОШ-4-Л-0,5-0,23, ОШ-4- Л- 0,5-0,28, ОШ-4-Л-0,5-0,32,

ОШ-4-Л-0,5-0,23, ОШ-4-Л-0,7-0,23, ОШ-4-Л-0,8-0,23

У п'ятому розділі (табл. 4) теоретична міцність порівнюється з дослідною. Для кожного із розглянутих випадків визначалося середнє арифметичне , середнє квадратичне відхилення та коефіцієнт варіації .

Дані, представлені в табл. 4, свідчать про достатню близькість теоретичної міцності, отриманої згідно із запропонованою методикою, з дослідною для окремих бетонних (залізобетонних) шпонок і можуть слугувати підтвердженням можливості застосовування варіаційного методу теорії пластичності бетону при розв'язанні задач міцності шпонкових з'єднань.



Таблиця 4 - Порівняння теоретичної та дослідної міцності

N	Автори	Rb, МПа	Rbt, МПа	,		Запропонована методика	«Пособие по проектированию жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85*)»
для бетонних шпонок
28 шт.	В.В. Погрібний, Araujo D. L., Бобришев П.Н., Коровін М.М., автор	6,456,9	0,84,17	-	0,20,6	0,96	0,15	15,4	0,74	0,12	16,7
для бетонних обтиснутих шпонок
35 шт.	М.М .Коровін, Автор	10,9523.4	1,26 2,3	0,04 0,5	0,25 0,5	0.93	0.16	17,14	0,90	0,18	19,94
					0,7 1,0	0.89	0,08	9,25	1,22	0,22	18,37
для залізобетонних шпонок
50 шт.	В.В.Погрібний, Г.М. Ашкінадзе, S.H. Megally, В.Н. Рожко, Naotaka Y., автор	10,0ч56,9	1,19ч2,65	0,0021ч0,0286	0,2 0,5	0,98	0,17	16,82	0,70	0,13	18,73
для залізобетонних шпонок із розміщенням арматури у два яруси
8 шт.	автор	10,0ч56,9	1,19ч2,65	0,0039ч 0,0103	0,25	0,97	0,04	4,13	0,68	0,08	11,83
ЗАГАЛЬНА СТАТИСТИКА ДЛЯ 121 ЗРАЗКА	0,94	0,12	12,42	0,80	0,15	17,77



ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ та ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Діюча нормативна методика розрахунку шпонкових стиків базується на емпіричній основі та не враховує специфіку напруженого стану зони руйнування й повну сукупність визначальних факторів міцності.

2. На основі варіаційного методу теорії пластичності бетону удосконалено методику розрахунку міцності бетонних і залізобетонних прямокутних шпонок, яка враховує характер руйнування та головні визначальні фактори: характеристики міцності бетону Rb і Rbt, співвідношення глибини та висоти шпонок, армування, ступінь обтиснення. Розроблений метод розрахунку міцності шпонок дозволяє оцінити вплив поперечного зусилля в арматурі при різних параметрах армування (кількості та розташування арматури) в зоні руйнування.

3. У результаті експериментальних досліджень з'ясовано вплив особливостей армування (розташування стержнів за висотою та коефіцієнта армування), ступеня обтиснення, виду та класу бетону на міцність прямокутних шпонок і досліджено деформований стан бетону й арматури окремих шпонок на всіх стадіях навантаження, підтверджено кінематично можливі схеми руйнування, прийняті в теоретичних рішеннях.

4. Міцність шпонок залежить від кількості та певною мірою розташування поперечної арматури по висоті шпонки і збільшується зі зростанням відсотка армування в межах 0ч2,5% в 2,7 рази та при розташуванні арматури у верхній і нижній зоні шпонки за висотою порівняно з розташуванням по середині висоти в 1,1 рази, при рознесенні арматури зафіксоване зростання пластичних деформацій бетону зони руйнування.

5. Міцність зразків суттєво залежить від рівня обтиснення. Зі збільшенням обтиснення від 0 до 0,6 міцність зростає в 2,7 рази.

6. Достовірність запропонованої методики підтверджується порівняльним аналізом теоретичної міцності , визначеної згідно із запропонованою методикою, із дослідною для 121 зразка (50 із яких належать авторові). Запропонована методика є більш точною (=0,94, =0,12, =12,42%.), порівняно з нормативною ( =0,80, =0,15, =17,77%). Необхідна точність досягається за рахунок використання відповідної кінематичної схеми руйнування, що відображає специфіку кожної конкретної задачі.

7. Отримані результати служать підтвердженням можливості застосовування варіаційного методу теорії пластичності бетону при розв'язанні задач міцності шпонкових з'єднань.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рожко В.Н. Стан питання розрахунку міцності шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів / В.Н. Рожко, Л.В. Карабаш // Вісник ОДАБА: зб. наук. пр. - Одеса: ОДАБА, 2006. - Вип. 21. - С. 203-214. (Особистий внесок: аналіз існуючих методів врахування впливу армування і обтиснення на міцність окремих шпонок).

2. Довженко О.О. Результати експериментальних досліджень міцності окремих прямокутних шпонок з урахуванням особливостей армування / О.О. Довженко, Л.В. Карабаш, П.Б. Митрофанов // Коммунальное хозяйство городов: науч.-техн. сб. - К.: Техника, 2007. - Вып. 76. - С. 16-22. (Особистий внесок: аналіз отриманих експериментальних даних: характеру руйнування та залежності відносних деформацій арматури й бетону від рівня навантаження).

3. Довженко О.О. Варіаційний метод розрахунку міцності окремих прямокутних шпонок / О.О. Довженко, Л.В. Карабаш // Дороги і мости: зб. наук. пр. - К.: ДерждорНДІ, 2008. - Вип. 9. - С. 76-81. (Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей для визначення граничного навантаження прямокутних шпонок з урахуванням особливостей розміщення армування по висоті перерізу).

4. Прочность железобетонных шпонок с различным расположением арматуры / В.П. Митрофанов, О.А. Довженко, О.А. Голов, Л.В. Карабаш, С.И. Арцев // Вісник ОДАБА: зб. наук. пр. - Одеса: ОДАБА, 2009. - Вип. 34. - С. 436-444. (Особистий внесок: розв'язана задача міцності окремих шпонок з урахуванням розташування арматури по висоті шпонок і нагельного ефекту в усій арматурі, виконаний порівняльний аналіз теоретичних рішень з експериментальними даними).

5. Довженко О.О. Метод розрахунку міцності окремих прямокутних бетонних шпонок з урахуванням ступеня обтиснення / О.О. Довженко, Л.В. Карабаш, Т.О. Гончаренко, О.В. Карабаш // Галузеве машинобудування, будівництво: зб. наук. пр. - Полтава: ПолтНТУ ім. Юрія Кондратюка. - 2009. - Вип. 3 (25). - Т. 3.- С. 77-82. (Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей для визначення міцності окремих прямокутних бетонних шпонок з урахуванням ступеня обтиснення та порівняльний аналіз теоретичних рішень з експериментальними даними).

6. Карабаш Л.В. Методика експериментального дослідження міцності окремих прямокутних шпонок з урахуванням особливостей армування / Л.В. Карабаш, О.О. Довженко // Матеріали ІІ міжнар. наук.-практ. конф. „Сучасні наукові дослідження-2006”. - Д.: Наука і освіта, 2006. - Т. 45 - С. 6-9. (Особистий внесок: запропонована конструкція дослідних зразків і методика проведення експериментальних досліджень).



АНОТАЦІЯ

Карабаш Л.В. Міцність прямокутних залізобетонних шпонок з урахуванням особливостей армування і обтиснення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка. - Полтава, 2011.

Удосконалено методику розрахунку міцності прямокутних залізобетонних (бетонних) шпонок, яка базується на розгляді специфіки напруженого стану зони руйнування та врахуванні визначальних факторів. На основі варіаційного методу в теорії пластичності бетону розв'язано задачу із визначення граничного навантаження шпонок з урахуванням особливостей армування (кількості та місця розташування арматури, нагельного ефекту), ступеня обтиснення, а також характеристик міцності бетону Rb і Rbt, співвідношення розмірів шпонок (довжини до висоти). Експериментально підтверджено на 50 зразках реальність існування областей пластичності, прийнятих у теоретичних рішеннях, виявлено вплив ступеня обтиснення, кількості та розташування арматури за висотою перерізу, нагельного ефекту на характер руйнування та граничне навантаження шпонок. Проведено порівняльний аналіз теоретичної міцності, отриманої за запропонованою методикою, з дослідною.

Ключові слова: шпонка, шпонкові з'єднання, армування, обтиснення, характер руйнування, граничне навантаження, теорія пластичності бетону.



АННОТАЦИЯ

Карабаш Л.В. Прочность прямоугольных железобетонных шпонок с учётом особенностей армирования и обжатия. - 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 - Полтава, 2011.

Диссертация посвящена совершенствованию методики расчёта прочности прямоугольных бетонных (железобетонных) шпонок с учётом специфики напряженного состояния и совокупности факторов, определяющих прочность, на основе вариационного метода в теории пластичности бетона.

Содержание диссертации. Во введении обосновывается актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В разделе 1 проведен обзор отечественных и зарубежных исследований по вопросу прочности шпоночных стыков. Выделены основные факторы, влияющие на предельную нагрузку и характер разрушения. Проанализированы существующие методы расчета стыков.

Раздел 2 посвящен теоретическому решению задач прочности шпонок. Разработанная на основе вариационного метода теории пластичности методика расчета позволяет учитывать специфику напряженного состояния зоны разрушения и основные определяющие факторы: обе прочностные характеристики бетона Rb и Rbt, геометрические размеры шпонок и их соотношение, армирование, обжатие.

В разделе 3 изложена методика экспериментальных исследований. Программа экспериментов включала изучение деформированного состояния, характера разрушения и предельной нагрузки 5 серий образцов (всего 50 шт.). Основной целью исследований являлось экспериментальное подтверждение реальности существования в образцах областей пластичности, принятых в теоретических решениях, и изучение влияния обжатия, количества и особенностей размещения арматуры по высоте сечения, а также нагельного эффекта в ней на прочность шпонок.

Раздел 4 посвящен анализу результатов экспериментальных исследований. В ходе эксперимента подтверждено существование пластических зон, принятых в теоретических решениях, а также влияние обжатия, количества и особенностей размещения арматуры по высоте сечения, нагельного эффекта в ней на характер разрушения и предельную нагрузку шпонок.

В разделе 5 выполнено сравнение теоретической предельной нагрузки, полученной согласно предложенной методики, с экспериментальной для 121 образца в широком диапазоне изменения факторов, определяющих прочность. Статистические характеристики для отдельных шпонок следующие: = 0,94, = 0,12, =12,42%. Полученные результаты служат подтверждением возможности применения вариационного метода теории пластичности бетона при решении задач прочности шпоночных соединений.

Результаты диссертации. На основе вариационного метода в теории пластичности бетона усовершенствована методика расчета прочности бетонных и железобетонных шпонок.

Ключевые слова: шпонка, шпоночные соединения, арматура, обжатие, характер разрушения, предельная нагрузка, теория пластичности бетона.



ABSTRACT

Karabash L.V. Strength of Rectangular Reinforced Concrete Keys with the Account of Reinforcement and Compression Features. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Sciences degree by speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. - Poltava National Technical University named by Yuri Kondratyuk, Poltava, 2011.

The improved methods of calculation of the strength of rectangular reinforced concrete keys are propounded in this thesis. The methods are based on consideration of the character of state of stress of the fracture area and taking into account of the determining factors of strength. The problem of estimate of ultimate load of keys is solved by means of variable method of plasticity theory of concrete taking into account reinforcing features (reinforcement quantity and placement, dowel effect), both strength characteristics of concrete Rb and Rbt, ratio of keys size lk/hk. The realities of existing of yield zones, that are account in theoretical solutions, are confirmed experimental on 50 specimens, the influence of compression degree, reinforcement quantity and placement with the account of section height on failure mode and ultimate load are discovered. The comparison of theoretical data obtained with help suggested methods with experimental data are worked out.

Key words: key, keyed joints, reinforcement, compression, failure mode, ultimate load, theory plasticity of concrete

Размещено на Allbest.ru

...