Напружено-деформований стан гнучких анкерів у сталезалізобетонних нерозрізних балках

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

УДК 624.072.232:621.882.64

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Напружено-деформований стан гнучких анкерів у сталезалізобетонних нерозрізних балках

05.23.01 Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Дарієнко Віктор Вікторович

Полтава - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Семко Олександр Володимирович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри архітектури та міського будівництва.

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 Козарь Валентин Іванович, Кременчуцький державний університет імені Михайла Остроградського, кафедра геодезії, землевпорядкування та кадастру.

Захист дисертації відбудеться «15» грудня 2009 р., о 13 ⁰⁰ , на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 44.052.02 при Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою: 36011, м. Полтава, проспект Першотравневий, 24, ауд. 218.

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

Автореферат розісланий « 11 » листопада 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з найважливіших напрямків технічного прогресу в будівництві є врахування і більш повне використання специфічних властивостей матеріалів, що використовуються для створення конструкцій. Перспективним є застосування ефективних конструкцій, що дозволяють значно поліпшити показники матеріалоємності, вартості і трудомісткості. До числа таких конструкцій й відносять сталезалізобетонні. Традиційні залізобетонні конструкції мають суттєві недоліки. Один із них - нераціональне використання бетону в розтягнутій зоні, де він фактично не працює. На відміну від залізобетону сталезалізобетон не руйнується крихко, а втрата місцевої та загальної стійкості відбувається при значно більших напруженнях, ніж в сталевих конструкціях.

У західних країнах уже більше десяти років діє нормативний документ “Eurocode 4” по проектуванню сталезалізобетонних конструкцій. Це сприяло поширенню сталезалізобетону у всьому світі. Не дивлячись на те, що в Україні ще тільки розробляється такий нормативний документ, наша держава має значний досвід із дослідження та впровадження сталезалізобетонних конструкцій. Побудовані та успішно експлуатуються несучі конструкції різних будівель і споруд із застосуванням трубобетону, балки та ригелі зі стрічковим армуванням, брускові конструкції, залізобетонні плити по профільованому настилу.

Останнім часом в будівельній практиці при влаштуванні конструкцій перекриттів як промислових, так і громадських будівель широко застосовуються сталезалізобетонні статично невизначні (нерозрізні) балки.

Діючі нормативні документи щодо проектування статично невизначних залізобетонних конструкцій рекомендують визначати їх несучу здатність за допомогою метода граничної рівноваги. При цьому не враховуються реальні діаграми деформування, процеси тріщиноутворення, особливості анкерування частин балок та сумісна робота двох матеріалів балки (бетону та сталі).

Характеризуючи сталезалізобетонні конструкції, варто зазначити, що їх міцність і надійність залежать не тільки від властивостей матеріалів - сталі й бетону, а й від елементів, що з'єднують сталеву та залізобетонну частини в єдину конструкцію. Адже застосування з'єднувальних анкерів недостатньої міцності та малої жорсткості зумовлює взаємне проковзування сталевої та залізобетонної частин перерізу, зменшує несучу здатність і збільшує прогини конструкції. Також досконало не вивчено питання оптимальності витрат сталі на влаштування анкерів (крок та форму) та мінімальних затрат на працемісткість. Отже, дослідження напружено-деформованого стану гнучких анкерів у сталезалізобетонних нерозрізних балках має науковий і практичний інтерес.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема відповідає напряму науково-технічної політики держави в галузі оцінки технічного стану будівель і споруд згідно з Постановою Кабінету Міністрів України №409 від 5 травня 1997р. „Про забезпечення надійності і безпечної експлуатації будівель, споруд та мереж”. Робота виконувалась як продовження наукової програми дослідних тем кафедри конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка „Розробка методів розрахунку, проектування і будівництва трубобетонних конструкцій на основі дослідження їх дійсної роботи” (державний реєстраційний номер 0193U009180), „Прогресивні залізобетонні конструкції з армуванням прокатними профілями” (державний реєстраційний номер 0109U001521).

Метою роботи є розроблення й вдосконалення методики розрахунку гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках на основі експериментально-теоретичних досліджень напружено-деформованого стану конструкцій.

Визначеній меті відповідають такі основні задачі досліджень:

- експериментально дослідити можливість застосування гнучких болтових анкерів для забезпечення сумісної роботи сталевого двотавра та залізобетонної верхньої полички у нерозрізних сталезалізобетонних балках і порівняти отримані дані з результатами розрахунку за існуючою та розробленою методиками;

- виявити закономірність зміни напружено-деформованого стану у гнучких анкерах по довжині нерозрізних сталезалізобетонних балок та виявити доцільність встановлення гнучких анкерів в розтягнутому бетоні в зоні дії від'ємного згинального моменту;

- запропонувати методику практичного розрахунку гнучких анкерів у сталезалізобетонних балках, за якою можливо визначити несучу здатність всієї конструкції і підбирати необхідну кількість анкерів певного типорозміру по довжині нерозрізної балки для забезпечення потрібної несучої здатності;

- здійснити впровадження результатів досліджень при проектуванні нових будівель і реконструкції та підсиленні існуючих конструкцій покриттів;

- виявити техніко-економічну ефективність використання сталезалізобетонних нерозрізних балок з гнучкими анкерами у порівнянні із аналогічними залізобетонними чи сталевими.(про доцільність анкерів на середній опорі)

Об'єкт досліджень - гнучкі анкери в сталезалізобетонних балках.

Предмет досліджень - напружено-деформований стан гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках під дією статичного навантаження.

Методи досліджень:

- експериментальні методи дослідження напружено-деформованого стану і несучої здатності при випробуваннях гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках;

- методи математичної статистики при аналізі результатів експериментальних досліджень;

- метод скінченних елементів при моделюванні напружено-деформованого стану досліджуваних конструкцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- дістало подальший розвиток дослідження числової моделі сталезалізобетонних балок з гнучкими анкерами методом скінченних елементів;

- уточнено методику розрахунку сталезалізобетонних балок з урахуванням виникнення сил тертя у шві з'єднання двох частин перерізу, а також податливості гнучких анкерів в них;

- вперше виявлено закономірності зміни напружено-деформованого стану та несучої здатності гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках по довжині конструкції при дії статичного навантаження;

- розвинуто і адаптовано методи розрахунку та проектування гнучких анкерів в нерозрізних сталезалізобетонних балках із врахуванням податливості анкерів, сил тертя між сталевою та залізобетонною частинами, пластичної роботи матеріалів, зміни знаку згинального моменту на середніх опорах у статично невизначних балках.

Практичне значення одержаних результатів роботи:

- на основі отриманих експериментально результатів доведено можливість застосування гнучких анкерів для забезпечення сумісної роботи при статичних навантаженнях cталевого двотавру та залізобетонної верхньої полички у нерозрізних сталезалізобетонних балках;

- порівняно методи розрахунку і конструювання нерозрізних сталезалізобетонних балок із використанням гнучких анкерів та представлені узагальнені пропозиції щодо їх розрахунку;

- на підставі отриманих експериментально і теоретично даних з'явилася можливість ширшого використання гнучких анкерів у статично невизначних сталезалізобетонних балках із забезпеченням їх ефективності, нижчої вартості й достатнім рівнем надійності.

Впровадження результатів роботи. Результати досліджень були впроваджені в практику будівництва:

- при проектуванні та будівництві сталезалізобетонних балок перекриття прольотом 8 м торгово-офісного комплексу з паркінгами в Печерському районі м. Києва;

- при реконструкції заводу керамічної плитки “Атем” в м. Київ;

- при реконструкції житлового будинку по вул. Жовтневій, 19 в м. Полтава;

- при проектуванні та будівництві сталезалізобетонних балок перекриття прольотом 6 м торгового комплексу в м. Кіровоград.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи одержані самостійно. У публікаціях у співавторстві здобувачеві належить: [3-6] - безпосередня участь у проведенні експериментальних досліджень анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках, обробленні й аналізі їх результатів; [1, 8] - аналіз існуючих та запропонованих методик розрахунку досліджуваних конструкцій, виконання й аналіз теоретичних розрахунків гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках.

Апробація результатів дисертації. Результати експериментально-теоретичних досліджень доповідались і обговорювались на 58-61-ій наукових конференціях ПолтНТУ в 2006-2009 роках, на V міжнародній науково-практичній конференції ”Инновационные технологии жизненного цикла объектов жилищно-гражданского, промышленного и транспортного назначения” м. Ялта, на X науково-технічній конференції „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація” м. Кривий Ріг у 2008 році.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 8 робіт у збірниках, які є фаховими виданнями, рекомендованими ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 149 найменувань і додатків. Роботу викладено на 212 сторінках машинописного тексту, з яких 117 сторінок основного тексту, 49 повна сторінка з рисунками та таблицями, 17 сторінок списку використаних джерел, 29 сторінок додатків.

Основний зміст роботи

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

У першому розділі аналізується стан проблеми забезпечення сумісної роботи металевої та залізобетонної частин в сталезалізобетонних конструкціях. анкер залізобетонний болтовий

Ще наприкінці ХІХ століття виявлено підвищення міцності, жорсткості, вогнетривкості, стійкості проти корозії металевих балок, облицьованих бетоном. На початку ХХ століття М. Каугей і Т. Скотт в Англії та Ж. Фрейсіне у Франції вперше висловили думку про доцільність застосування спеціальних з'єднувальних деталей для забезпечення спільної роботи залізобетону та сталі. Подальші розробки по даному питанню висвітлювали Л.К. Лукша, Н.А. Переяславцев, М.М. Стрілецький, Л.І. Стороженко. На території України діє нормативний документ з питань розрахунку таких конструкцій - ДБН В.2.3-14:2006; в західній Європі - Eurocode 4.

Сталезалізобетонні згинальні елементи, армовані листовою арматурою без захисного шару, відкривають нові напрямки розвитку конструкцій висвітлені авторами: Т.Н. Азізов, Ю.Г. Аметов, А.Д. Арслаханов, А.П. Васильєв, Р.В. Воронков, М.О. Карповський, В.І. Козарь, Ф.Е. Клименко, В.М. Барабаш, О.В. Сколибог, Р.І. Кінаш, Л.І. Стороженко, О.В. Семко, Л.М. Фомиця, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагін, А.Д. Шеховцов, R. Bergman, J. Nie, C. Cai, K. Sennah, J. Wahba, S. Sener, B.J.G. Barr, H.F. Abusiaf. Дані конструкції дозволяють ефективно використовувати високоміцні матеріали, зменшити висоту перерізу, знизити вагу і при цьому скоротити витрати залізобетону при забезпеченні несучої здатності і жорсткості, а також зменшити загальну вартість будівель і споруд. Вартість конструкції можливо знизити, підвищуючи ступінь її статичної невизначеності. Дослідженнями нерозрізних балок займались М.Ю. Ізбаш, Е.Д. Чихладзе, В.А. Росновський та інші під їхнім керівництвом.

При роботі сталезалізобетонних балочних конструкцій на згин виникають значні сили зсуву по площині з'єднання листової арматури та бетону вздовж балки. Тому необхідне розроблення методик розрахунку з'єднання цих двох елементів конструкції в єдине ціле. Розвитку розрахунків та експериментальних досліджень анкерів в Україні були присвячені праці Ф.Є. Клименка, Н.Л. Чернова, О.Е. Чихладзе та інші. Ефективними виявилися жорсткі упори, несуча здатність яких залежить від міцності бетону та конструкції власне анкера. Встановлено, що більшу несучу здатність мають петлеві анкери, які розташовані під кутом не 90⁰, а 45⁰. Можуть застосовуватися анкери у вигляді вертикальних стержнів, що приварені до стрічкової арматури під прямим кутом і які одночасно виконують роль хомутів залізобетонної конструкції.

Визнаним лідером світового ринку в технологіях виготовлення і приварювання кріпильних металевих елементів (анкерів) є компанія Nelson Bolzenschweiss - Technik Gmbh & Co.KG (Німеччина). Методика приварювання анкерів, розроблена Тедом Нельсоном ще в 1936 році, і тепер залишається найефективнішим і найнадійнішим засобом для приварювання анкерних засобів. У зварювальну систему Нельсон входять: зварювальний пістолет, система управління і джерело постійного струму. Анкер (шпилька) і керамічне кільце ущільнювача вставляються в зварювальний пістолет, після чого кінець шпильки поміщають прямо до заготовки, потім натискається курок пістолета. Сам процес приварювання одного упору триває 0,2 - 0,8 секунд залежно від його діаметру. Технологія Nelson, що розроблялася та удосконалювалася останні 30 років, дозволяє об'єднати в спільну роботу сталеві і залізобетонні конструкції в єдину сталезалізобетонну і тим самим знизити витрати сталі.

Отже, застосування згинальних елементів, в яких бетон і метал об'єднуються гнучкими анкерами, - ефективний і перспективний вид сталезалізобетонних конструкцій. На цей час сталезалізобетонні конструкції зайняли одне із вагомих місць в галузі будівельних конструкцій. При їх використанні вдається знизити витрати матеріалів за рахунок зменшення маси і розмірів поперечного перерізу.

На основі проведеного аналізу існуючих результатів досліджень, викладених у науково-технічній і нормативній літературі, сформульовані завдання досліджень.

Другий розділ присвячений опису конструкцій дослідних коротких зразків на зріз гнучких анкерів та сталезалізобетонних балок із гнучкими анкерами. Також описано технологію їх виготовлення, визначення фізико-механічних властивостей використаних матеріалів (сталі і бетону), методику проведення і результати експериментальних випробувань дослідних зразків, опис особливостей їх роботи під навантаженням і руйнування.

Метою проведення експериментальних досліджень було визначення:

- несучої здатності сталезалізобетонних однопролітної (зразок Б-4) та двопролітних (зразки Б-1, Б-2, Б-3) балок з анкерами системи Nelson;

- напружень та деформацій анкерів, зміна цих значень у анкерів, розташованих по довжині балок (у прольотній частині чи на опорі);

- прогинів і деформацій на всіх ступенях завантаження дослідних зразків;

- несучої здатності анкерів системи Nelson в коротких зразках на зріз в бетонах низького класу (серії ЗР1-1 і ЗР1-2).

Відповідно до поставлених завдань експериментальних досліджень були запроектовані, виготовлені та досліджені 3 групи зразків:

- двопролітні сталезалізобетонні балки довжиною 3 м із гнучкими анкерами Nelson - зразки Б-1, Б-2, Б-3 (рис. 1, а). Зразки складалися зі сталевого двотавра № 12 (ГОСТ 8239-89) висотою 120 мм та залізобетонної плити висотою 50 мм і шириною 250 мм.. Довжина прольоту - 1500 мм. Залізобетонна плита армована поздовжніми стрижнями 3 5 мм класу Вр-I, розміщеними на відстані 45 мм від нижньої грані плити. У балці Б1-1 анкери розміщені з однаковим кроком 150 мм. Дослідні зразки Б1-2 і Б1-3 мають змінний по довжині крок анкерів для виявлення впливу густини їх розміщення на несучу здатність балки. В середній частині балки Б1-2 анкерування згущене з кроком 100 мм, балки Б1-3 - розріджене (крок 200 мм);

- однопролітна сталезалізобетонна балка довжиною 1,5 м із гнучкими анкерами Nelson - зразок Б-4 - із розмірами аналогічними зразкам першої групи (рис. 1, б);

- зразки на стандарт-зріз - загальною кількістю 14 зразків виготовлялись зі сталевих двотаврових балок №36 (ГОСТ8239-89), до яких приварювались анкери діаметром 16 мм і висотою 125 мм аналогічні до тих що були використані при будівництві торгівельно-офісного комплексу з паркінгами на Спортивній площі, 1, в Печерському районі м. Києва. Анкери було забетоновано бетоном класу В15 для імітування роботи анкерів в розтягнутому бетоні з тріщинами (рис. 1, в, г). Додатково зразки третьої групи були поділені на дві серії: серія ЗР1-1: 3 зразки мали по одному анкеру на кожній поличці двотавра причому на одній з поличок, анкер з головкою фірми Nelson, а на іншій анкер з арматури А-ІІІ; серія ЗР1-2: 4 зразки мали по два анкери на кожній поличці двотавра, причому, на одній з поличок два анкери з головкою фірми Nelson, а на іншій - два анкери з арматури А-ІІІ.

Для визначення фізико-механічних характеристик вихідних матеріалів додатково випробувані стандартні бетонні призми 150Ч150Ч600 мм і кубики 150Ч150Ч150 мм, стандартні сталеві пластини 20Ч300 мм, що вирізані з поличок та стінки сталевого двотавра, стандартні арматурні стержні довжиною 500 мм.

Для вимірів напружень у елементах зразка, електротензорезистори наклеювались з обох боків на анкери перпендикулярно напрямку дії зсувного зусилля та на поверхню сталевої балки в місці дії максимального згинального моменту (під зосередженою силою). Для вимірів прогинів комбінованої балки посередині прольоту використані прогиноміри. Індикатори годинникового типу ІЧ-10 розміщувались на найбільш напружених волокнах перерізу.

Рис. 1. Конструкція дослідних зразків: а) зразки Б-1, Б-2, Б-3; б) зразок Б-4; в) зразки серії ЗР1-1; г) зразки серії ЗР1-2

Завантаження дослідних зразків Б-1…Б-4 здійснювалося поетапно. Ступені завантаження становили 10 % від граничного розрахункового випробувального навантаження. На перших ступенях завантаження сталева балка деформувалася пружно, а в бетоні розвивалися пластичні деформації. Деформації розтягу в сталевій балці були більші від деформацій стиску в бетонній поличці. Зі зростанням навантаження в розтягнутому бетоні на середній опорі з'являються мікротріщини. При подальшому збільшені навантаження поздовжні напруження в нижньому поясі сталевої балки досягали межі плинності, а в бетоні продовжується утворення тріщин. Поява тріщин у нижній частині залізобетонної плити посередині прольотів при випробуванні в пружно-пластичній стадії роботи конструкції свідчили про наявність в ній зусиль розтягу, тобто про її часткове включення в роботу і встановлення у поперечному перерізі сталезалізобетонної балки під навантаженням розподілу деформацій з двома нульовими лініями.

Руйнування дослідних зразків із розрідженим анкеруванням в середній частині балки (Б1-3, Б1-4) відбувалось внаслідок зсуву залізобетонної плити відносно сталевої балки з практично одночасною появою пластичних шарнірів у критичних перерізах. При руйнуванні зразка Б1-3 із розрідженим анкеруванням відбувалось розколювання залізобетонної плити анкерами у поздовжньому напрямку внаслідок дії значних зосереджених сил. У дослідних зразках з рівномірним і згущеним посередині анкеруванням (Б1-1, Б1-2) суттєвого зсуву не спостерігалось. Для однопролітної балки (Б1-4) також забезпечувалось повне (жорстке) анкерування за допомогою торцевих упорів, але внаслідок певної гнучкості засобів з'єднання руйнування відбувалось пластично, без виникнення раптового відриву залізобетонної плити від сталевої балки.

У результаті проведення досліджень нерозрізних сталезалізобетонних балок були отримані значення прогинів (рис. 2) і нормальних напружень (рис. 3) у критичних перерізах (посередині прольоту та на середній опорі). При порівнянні нормальних напружень, отриманих за результатами обробки показів тензорезисторів при випробуванні та теоретично за розрахунком згідно з ДБН В.2.3-14:2006 та Eurocode 4, виявлена розбіжність складає не більше 15 %. Причому розрахунок згідно ДБН дає дещо завищені результати, а згідно Eurocode 4 - досить гарна збіжність, до 10%.

Рис. 2. Графік залежності прогинів дослідних зразків балок від навантаження посередині прольотів

Рис. 3. Епюри нормальних напружень в перерізах дослідних балок посередині прольоту при навантаженні 90 кН

Застосування гнучких анкерів призводить до вирівнювання зсувних сил в області прикладення зосередженої сили, що дозволяє уникнути раптового крихкого руйнування балки. Поздовжні напруження в крайніх арматурних стрижнях залізобетонної плити дещо менші від напружень у середньому стрижні.

Проаналізувавши значення несучої здатності дослідних нерозрізних сталезалізобетонних балок по середині прольоту та на середній опорі можна стверджувати, що за рахунок забезпечення сумісної роботи сталевої балки і залізобетонної плити несуча здатність конструкції збільшилась у даному випадку (при класі бетону В15) на 47 % (для зразка Б1-1), 52 % (для зразка Б1-2) і 39 % (для зразка Б1-3) у пружній стадії роботи конструкцій та на 43 % (для зразка Б1-1), 45 % (для зразка Б1-2) і 39 % (для зразка Б1-3) у пластичній стадії. При застосуванні бетону вищих класів і робочої арматури на середній опорі з вищою несучою здатністю, що більш характерно для практики будівництва, цей ефект може збільшитись.

Великий вплив на несучу здатність зразків мали деформації анкерів, про що можна судити за показами тензорезисторів, наклеєних на анкери. Деформації розтягу в анкерах виникали з найперших ступенів навантаження задовго до видимого порушення зчеплення у шві. Із наведеного графіка на рис. 4 можна зробити висновок, що анкери, виконані із арматури класу А-ІІІ, мають більші деформації до 28 % при одному й тому ж ступені завантаження, ніж анкери фірми Nelson. Цей факт доводить ефективність використання анкерів з головками на кінці фірми Nelson для з'єднання залізобетонної та сталевої частин для сумісної роботи.

По отриманих з експерименту даних визначено максимальне значення напружень у анкерах. Виконано порівняння максимальних напружень у анкерах, розташованих по довжині прольоту балок, що показане на рис. 5. Теоретичне значення показано на початку і в кінці прольоту прямими відрізками. Як видно з графіка, відхилення теоретичного значення від максимального експериментального складає менше 20% прольотів експериментально досліджених балок.

Рис. 4. Графік несучої здатності гнучких стержневих анкерів при випробуванні зразка ЗР2.1

Рис. 5. Розподіл нормальних напружень в анкерах по довжині балки

Після закінчення дослідів і очистки від залишків бетонної полички сталевої балки, біля основи анкерів виявлялися значні лункоподібні зминання бетону. Тому велика частина деформацій зсуву між бетоном та прокатним профілем відбувається за рахунок зминання бетону в цих місцях. Маючи необхідне зчеплення з бетоном, анкери “Nelson” під навантаженням перерозподіляють зусилля поздовжнього зсуву більш рівномірно уздовж шва з'єднання бетонної плити і сталевої балки, ніж анкери з арматури А-ІІІ і не акумулюють їх у опорних вузлах. Як видно із узагальнених результатів експериментальних випробувань зразків цієї серії наведених у таблиці 1, несуча здатність зразків, виготовлених із анкерів фірми Nelson, вища на 23% за несучу здатність зразків, виготовлених із арматури класу А-ІІІ. За рахунок цього можливо вводити в розрахунок допущення розвитку пластичних деформацій в анкерах, що у свою чергу приводить до економічно і технологічно вигідніших рішень.

Таблиця 1 Узагальнені результати експериментальних випробувань зразків третьої групи

Тип анкерів	Діаметр анкерів, мм	Довжина анкерів, мм	Середнє руйнуюче зусилля одного типу анкерів Qсер, кН
болтовий, фірми Nelson	16	125	40,12
арматура А-ІІІ	16	125	30,95
Різниця руйнівного зусилля ДQ =	29,62 %

У третьому розділі викладено інженерну методику розрахунку засобів з'єднання нерозрізних сталезалізобетонних балок. Описано визначення внутрішніх зусиль в критичних поперечних перерізах нерозрізних сталезалізобетонних балках за першим та другим граничними станами. Виділено фактори, що впливають на забезпечення сумісної роботи сталевої балки та залізобетонної плити за допомогою гнучких анкерів.

На несучу здатність і деформативність сталезалізобетонної балки головним чином впливають жорсткість поперечного перерізу, схильність до втрати місцевої та загальної стійкості, типи навантажень, утворення тріщин в бетоні, повзучість і усадка бетону, а також податливість з'єднувальних засобів.

Для сталезалізобетонних балок в критичних перерізах потрібно проводити розрахунки несучої здатності поперечного перерізу від дії максимального згинального моменту і поперечної сили в прольоті та на опорі. При розрахунку пластичного моменту приймаються такі допущення і передумови: в поперечному перерізі сталевої балки діють напруження розтягу і/або стиску з розрахунковим значенням межі плинності конструкційної сталі; в арматурі в області робочої ширини плити діють напруження розтягу і/або стиску з розрахунковим значенням межі плинності; в стиснутій зоні бетонного поперечного перерізу між пластичною нульовою лінією і крайнім волокном бетонного перерізу приймається розрахункове значення міцності бетону на стиск.

При розрахунку несучої здатності від дії поздовжньої зсувної сили перевіряються області між критичними перерізами, тобто визначальна критична довжина обмежується двома сусідніми критичними перерізами.

Несуча здатність від дії поперечної сили визначається на основі припущення, що поперечна сила сприймається лише поперечним перерізом сталевої стінки. Якщо розрахункове значення поперечної сили не перевищує половини несучої здатності стінки сталевої балки, то несуча здатність від дії згинального моменту не зменшується.

На поведінку сталезалізобетонної балки під навантаженням суттєво впливає міцність і розподіл засобів з'єднання сталевої балки та бетонного поясу. В граничному стані несучої здатності перевіряють, щоб між критичними перерізами була достатня кількість анкерів для сприйняття поздовжньої зсувної сили між сталевою балкою та залізобетонним поясом. При цьому потрібно розрізняти методи розрахунку без пластичного переміщення і з пластичним переміщенням поздовжньої зсувної сили. У другому випадку необхідну кількість анкерів потрібно визначати за формулою:

, (1)

де - розрахункова несуча здатність одного анкера, визначена за результатами випробування стандартних зразків на зсув;

- зсувна сила у шві з'єднання між критичними перерізами, яка може бути визначена за існуючою схемою з поділом на дві розрахункові ділянки, або за запропонованою схемою з трьома ділянками (рис. 6).

Оскільки зсувна сила у шві з'єднання сприймається не тільки анкерами, але й силами тертя і зчеплення, котрі діють по контакту плити з балкою, несуча здатність шва з'єднання буде вищою за сумарну несучу здатність анкерів. Якщо знехтувати силами зчеплення, що діють лише при незначних навантаженнях, то збільшення несучої здатності можна визначити за коефіцієнтом тертя в залежності від тиску плити на балку.

Рис. 6. Схеми визначення зсувної сили у шві з'єднання

В такому разі несуча здатність шва з'єднання може бути представлена у вигляді суми:

,(2)

де - коефіцієнт тертя бетону по сталі, який визначається переважно на підставі дослідних даних;

- найбільша поперечна сила між критичними перерізами.

Тоді формула для визначення несучої здатності сталезалізобетонної балки від дії згинального моменту матиме вигляд (див. рис. 6):

;(3)

.

Для складеного профілю сталевої балки (тут ; - площі верхнього / нижнього поясу сталевої балки; ; - відстані від центру ваги сталевої балки до її крайнього верхнього / нижнього волокна; ; - товщини верхнього / нижнього поясу сталевої балки; ; - відстані від пластичної нульової лінії у сталевій балці до верхнього / нижнього краю стінки (висоти стиснутої та розтягнутої зон стінки);

- несуча здатність стиснутої зони бетонної плити;

(тут - відстань від центру ваги сталевої балки до верхнього волокна залізобетонної плити; - відстань від пластичної нульової лінії у плиті до її крайнього верхнього волокна (висота стиснутої зони бетону);

- несуча здатність ряду арматурних стрижнів;

- відстань від центрРазмещено на http://www.allbest.ru/

у ваги ряду арматурних стрижнів до верхнього волокна залізобетонної плити.

Рис. 7. Визначення несучої здатності сталезалізобетонної балки від дії згинального моменту при частковому анкеруванні за запропонованою методикою

Величина прослизання при частковому анкеруванні залежить від податливості засобів з'єднання, а також від геометричної форми поперечного перерізу сталевої балки, виду навантаження, ефективного прольоту, марки сталі.

При визначенні несучої здатності контакту з'єднання бетонної та сталевої поличок за запропонованою методикою коефіцієнт тертя приймався рівним 0,5. Урахування сил тертя, що діють у шві з'єднання сталезалізобетонної балки, дозволяє обґрунтовано підвищити розрахункове значення внутрішнього згинального моменту. Недоліком такого розрахунку є ітераційне визначення зовнішнього граничного навантаження на балку та несучої здатності шва з'єднання.

Визначальними параметрами впливу на поведінку болтових анкерів під навантаженням у бетонній плиті є клас і модуль пружності бетону, діаметр анкерів, межа міцності анкерної сталі при розтягу, розміри зварного виступу на базі анкера, висота і положення анкерів при бетонуванні.

Несуча здатність при відмові бетону визначається по суті через діаметр стрижня анкера, а також через нормативний опір стиску і модуль пружності бетону. При вищій якості бетону несуча здатність більше залежить від площі поперечного перерізу стрижня анкера і від тимчасового опору сталі розриву. У проведених дослідах при постійно підтримуваній відстані між гранями зразка незадовго до досягнення розрахункового навантаження впродовж кількох хвилин спостерігалося зниження напружень на 15 %.

Розрахунок несучої здатності поздовжнього анкерування зводиться до підбору типу анкерів і визначення їх кількості залежно від розрахункового зусилля, що сприймається одним анкером. Зусилля, котре припадає на один гнучкий анкер у вигляді круглого стрижня, можна також визначити в залежності від співвідношення довжини анкера h і його діаметра d, виходячи з умови роботи анкера на згин зі зминанням бетону за формулами:

(при );(4)

(при ).(5)

Для стрижнів із маловуглецевої сталі повинна виконуватись умова:

(6)

де - розрахунковий опір сталі анкера зсуву.

У четвертому розділі виконано числове дослідження напружено-деформованого стану всіх досліджуваних зразків методом скінченних елементів (МСЕ) за допомогою програмних комплексів. При виборі типу та розмірів скінченних елементів (СЕ), на які розбивалась утворена модель, враховано час створення об'ємної скінченно-елементної сітки, необхідний дисковий простір для проведення розрахунку, точність та збіжність отриманих результатів при розрахунку моделей розбитих різними СЕ. Були змодельовані та прораховані моделі зразків на зріз, виконані із швелерів №36 із двома бетонними кубиками на поличках. Передача зусилля з металевої частини на бетон відбувалося через один чи два анкери. Моделі розбивалися об'ємними СЕ - тетраедрами або гексаедрами - із стороною від 2 до 0,2 см. Під час порівняння збіжності отриманих результатів вирішено розбивати модель на тетраедри із стороною рівною 1-2% від загальної довжини окремого елемента зразка. Такі розміри скінченно-елементної сітки забезпечують відхилення від середнього значення напружень порахованого по результатам всіх розрахунків до 0,4%. Середнє відхилення результатів експериментальних та теоретичних вимірів деформацій анкерів у зразках на зріз менше 10%, що свідчить про достовірність отриманих скінченно-елементним аналізом результатів. При зменшенні розмірів СЕ різко підвищувались необхідні ресурси ПК.

Результати дослідження моделей зразків за допомогою програмних комплексів дали аналогічний до реального, описаного у другому розділі, характер руйнування. До того ж, моделювання напружено-деформованого стану зразків перед проведенням натурних випробувань дозволило обрати оптимальну конструкцію зразків для експериментальних випробувань і зменшити їх кількість, виявити місця із максимальними деформаціями для встановлення вимірювальних приладів.

За допомогою програмного комплексу для визначення оптимального кроку встановлення анкерів у сталезалізобетонних нерозрізних балках були змодельовані та проаналізовані результати розрахунку НДС двопролітних балок, що складалися зі сталевого двотавра №12 висотою 120 мм, довжиною 3000 мм і залізобетонної плити завтовшки 60 мм, шириною 250 мм. Ці дві частини комбінованого перерізу були з'єднані для сумісної роботи за допомогою анкерів фірми NELSON діаметром 6 мм довжиною 50 мм. Моделі балок відрізнялися кроком встановлення анкерів: 100, 150, 200 мм по всій довжині балки або із змінним кроком.

При аналізі НДС балок із рівномірним кроком анкерів виявлено, що найрівномірніше головні напруження розподілені при кроці анкерів 100 мм. При кроках 150 мм та 200 мм помітні певні зосередження напружень у 1/5 частинах балок, ближчих до середини. Тому виникає потреба аналізу нерівномірного кроку анкерів. При згущенні анкерів посередині балки виявлено, що у анкерів, розташованих по центру балки, головні напруження у декілька разів менші за головні напруження анкерів, що знаходяться у двох ближчих до центру 1/5 частин балок.

У п'ятому розділі оцінено техніко-економічну ефективність запропонованих сталезалізобетонних конструкцій, визначення матеріальних витрат та витрат на заробітну плату виробничих робітників, а також описано впровадження результатів дисертаційної роботи у практику будівництва. Крім цього автором розроблено програму, яка дозволяє розраховувати сталезалізобетонні балкові перекриття. Її особливістю є також прозорість розрахунку та представлення результатів формул, за якими виконується розрахунок.

Результати експериментальних і теоретичних досліджень сталезалізобетонних нерозрізних балок із використанням анкерів фірми NELSON доводять ефективність і доцільність їх застосування при достатньому забезпеченні надійності. Виконано впровадження результатів досліджень при проектуванні і будівництві конструкцій перекриттів нових несучих каркасів будівель.

Зокрема, при будівництві суспільно-житлового і торгівельно-офісного комплексу з паркінгами на Спортивній площі в Печерському районі м. Києва була перевірена можливість заміни другорядної балки Б-5 довжиною 8 метрів основного проекту, виконаної у вигляді зварного двотавра із стінкою 398Ч6 мм та поличок 200Ч12 мм на двотаврову балку №36 з гарячекатаного профілю з урахуванням спільної роботи монолітної залізобетонної плити перекриття, завтовшки 150 мм, що влаштовується по сталевому профільованому настилу Н57-0,7, сполученому із сталевою балкою за допомогою приварювання шпильок типу КВ 16Ч125, приварених за технологією NELSON. Також цю технологію застосовано при проектуванні та будівництві сталезалізобетонних балок перекриття прольотом 6 м торгового комплексу в м. Кіровоград.

Для запроектованих сталезалізобетонних балок було проведено техніко-економічне порівняння зі сталевими конструкціями. В якості головного показника, що характеризує економічну ефективність сталезалізобетонних конструкцій, були прийняті приведені затрати на одиницю виробу. При порівнянні загальних витрат на виготовлення сталевих і сталезалізобетонних балок прольотом 8 м у м. Київ останні виявилися до 10 % вигіднішими у застосуванні.

Загальні висновки

У дисертації вирішена актуальна наукова задача оцінювання напружено-деформованого стану гнучких анкерів в сталезалізобетонних нерозрізних балках. Проведені експериментальні та теоретичні дослідження дозволяють зробити наступні висновки.

1. Експериментально досліджено особливості напружено-деформованого стану та доведено ефективність роботи сталезалізобетонних балок із використанням гнучких анкерів при дії статичних навантажень. Виявлено, що гнучкі анкери рівномірно перерозподіляють внутрішні зусилля по довжині балки, чим дозволяють запобігти крихкому руйнуванню залізобетонної полички, яке характерне при застосуванні жорстких упорів.

2. Застосування гнучких болтових анкерів для поєднання нижньої сталевої частини та залізобетонної верхньої полички підвищує до 13% несучу здатність з'єднання у порівнянні з анкерами із звичайної арматури.

3. Виявлено закономірність зміни напружено-деформованого стану гнучких анкерів по довжині досліджуваних конструкцій. Розроблена методика визначення внутрішніх зусиль в перерізах нерозрізних сталезалізобетонних балок ураховує перерозподіл згинального моменту по довжині балки, який відбувається внаслідок зменшення жорсткості конструкції в зоні дії від'ємного згинального моменту на проміжній опорі через виключення з роботи розтягнутого бетону.

4. Виявлено необхідність встановлення гнучких анкерів в розтягнутому бетоні в зоні дії від'ємного згинального моменту на опорі для сприйняття поздовжнього зусилля в робочій арматурі залізобетонної полички. Кількість встановлення анкерів залежить від несучої здатності робочої арматури.

5. Збільшення несучої здатності шва з'єднання за рахунок дії сил тертя підтверджується виконаними експериментальними дослідженнями роботи сталезалізобетонних балок з гнучкими анкерами, які показали підвищену на 20% несучу здатність порівняно з визначеною теоретично при розрахункових значеннях несучої здатності анкерів, що встановлювались за результатами випробування стандартних зразків на зріз.

6. На основі аналізу різних підходів до визначення несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних балок визначено, що метод розрахунку за діючими нормами занижує загальну несучу здатність конструкції та анкерів, зокрема до 20 % у порівнянні із отриманою експериментально, за рахунок неврахування сумісної роботи бетонної та сталевої частин. Рекомендується вводити обґрунтовані експериментально і теоретично результати роботи у вітчизняні норми.

7. Порівняння витрат на виготовлення метра погонного сталевої та сталезалізобетонної балок із використанням гнучких анкерів різних типорозмірів виявило, що сталезалізобетонні балки вигідніші. При однаковій собівартості несуча здатність сталезалізобетонних балок вища до 10 % за несучу здатність сталевих балок.

Список опублікованих робіт за темою дисертації

1. Сердюк Л.І. Аналіз існуючих методів розрахунку гнучких анкерів для з'єднання сталезалізобетонних конструкцій / Л.І. Сердюк, О.В. Семко, В.В. Дарієнко // Зб. наук. пр. Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. Вип. №18. Полтава: ПолтНТУ, 2006. - С. 155-161. (Аналіз наукових джерел за тематикою статті. Узагальнення одержаних результатів. Виклад матеріалу).

2. Дарієнко В.В. Методика проведення експериментальних досліджень гнучких анкерів у нерозрізних сталезалізобетонних балках / В.В. Дарієнко // Вісник СНАУ: серія “Будівництво”. - Вип. 9(11), 2006. - С. 40-43.

3. Семко О.В. Результати проведення експериментальних досліджень гнучких анкерів на зріз / О.В. Семко, В.В. Дарієнко, В.Р. Білярчик // Строительство, материаловедение, машиностроение // Сб. научн. трудов. Вып. 43, - Дн-вск, ПГАСА, 2007. - С. 499-504. (Розробка методики виконання експериментальних досліджень гнучких анкерів на зріз. Виконання експериментальних досліджень, аналіз отриманих результатів експерименту).

4. Семко О.В. Експериментальні дослідження однопролітних сталезалізобетонних балок із гнучкими анкерами системи “NELSON” / О.В. Семко, С.А. Гудзь, В.В. Дарієнко // Зб. наук. пр. Серія: Галузеве машинобудування, будівництво. Вип. №20. Полтава.: ПолтНТУ, 2007. - С. 89-94. (Розробка методики проведення експериментальних досліджень гнучких анкерів в однопролітних сталезалізобетонних балках та обробка результатів).

5. Семко О.В. Експериментально-теоретичні дослідження нерозрізних сталезалізобетонних балок з гнучкими анкерами / О.В. Семко, С.А. Гудзь, В.В. Дарієнко // Зб. наук. пр. Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди. Вип. №16. Рівне.: 2008. - С. 344-351. (Розробка методики визначення внутрішніх зусиль в нерозрізних сталезалізобетонних балках. Наведено порівняльний аналіз значень згинальних моментів, визначених із застосуванням експериментальних даних, і результатів розрахунку несучої здатності балок).

6. Семко О.В. Методи врахування перерозподілу зусиль у нерозрізних сталезалізобетонних балках / О.В. Семко, С.А. Гудзь, В.В. Дарієнко // Дороги і мости : зб. наук. пр. - К. : ДерждорНДІ, 2007. - Вип. 7 в 2-х т., 2 т. - С. 115-122. (Аналіз наукових джерел. Розробка методики врахування перерозподілу зусиль у нерозрізних сталезалізобетонних балках, написання висновків. Обробка отриманих результатів розрахунку).

7. Дарієнко В.В. Розрахунок сталезалізобетонних балок при частковому анкеруванні / В.В. Дарієнко // Будівельні конструкції: „Сталезалізобетонні конструкції: дослідження, проектування, будівництво, експлуатація”: зб. наук. пр. - К. : НДІБК, 2008. - Вип. 70. - С. 191-198.

8. Семко О.В. Теоретичне моделювання напружено-деформованого стану гнучких анкерів / О.В. Семко, А.В. Гасенко, В.В. Дарієнко // Вісник ОДАБА. Серія: Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Сейсмостійкість будівель та споруд. - Одеса, 2009. - Вип. 33. - С. 140-145. (Аналіз наукових джерел за тематикою статті. Узагальнення одержаних результатів. Виклад матеріалу).

Анотація

Дарієнко В.В. Напружено-деформований стан гнучких анкерів у сталезалізобетонних нерозрізних балках. - 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, 2009.

Дисертація присвячена вирішенню проблеми оцінювання величини перерозподілу зусиль при використанні гнучких анкерів застосованих для поєднання сталевої прокатної балки та залізобетонної стиснутої полички для сумісної роботи у нерозрізних сталезалізобетонних згинальних конструкціях.

Проведені експериментальні і теоретичні дослідження напружено-деформованого стану гнучких анкерів у зразках на зріз, одно- та двопролітних сталезалізобетонних балках.

Виконано аналіз, адаптування та виокремлення точніших методик по визначенню загальної несучої здатності нерозрізних сталезалізобетонних балок та гнучких анкерів зокрема. Отримано задовільні співпадіння експериментальних та теоретичних значень.

Ключові слова: нерозрізні сталезалізобетонні конструкції, гнучкі анкери, напружено-деформований стан, сумісна робота складових частин балки, розтягнуто-зігнутий сталевий прокатний пояс, стиснутий залізобетонний пояс.

Аннотация

Дариенко В.В. Напряженно-деформированное состояние гибких анкеров в сталежелезобетонных неразрезных балках. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка. - Полтава, 2009.

Диссертация посвящена решению проблемы оценки величины перераспределения усилий при использовании гибких анкеров, применяемых для соединения стальной прокатной балки и железобетонной сжатой полки для совместной работы в неразрезных сталежелезобетонных изгибаемых конструкциях.

Во введении обосновывается актуальность проблемы, изложены цель и задачи исследований, научная новизна, практическая ценность и общая характеристика работы.

В разделе 1 анализируется состояние проблемы обеспечения совместной работы металлической и железобетонной частей в сталежелезобетонных изгибаемых конструкциях (СЖБК). Приведен краткий анализ существующих методов расчета несущей способности изгибаемых СЖБК, расчета и экспериментальных исследований элемента соединения - гибких анкеров. На основе проведенного анализа существующих результатов исследований, изложенных в научно-технической и нормативной литературе, сформулированы задачи исследований диссертационной работы.

Раздел 2 посвящен описанию конструкции опытных коротких сталежелезобетонных образцов на срез, одно- и двупролётных сталежелезобетонных балок. Также описаны технология их изготовления, определение физико-механических характеристик используемых материалов (прокатной стали, арматуры и бетона), разработка методики и результаты проведения экспериментальных испытаний опытных образцов, особенности их работы под нагрузкой и разрушением.

Целью проведения экспериментальных исследований является получение данных о несущей способности опытных образцов. Результаты проведения этих экспериментов показали, что железобетонный пояс повышает местную прочность и стойкость стального нижнего прокатного пояса (в сравнении с обычной стальной прокатной балкой до 50%), равномерно перераспределяя вертикальную нагрузку. Использование гибких анкеров позволяет избежать хрупкого разрушения железобетонной полочки.

Раздел 3 посвящен развитию методики расчета несущей способности анкеров в изгибаемых сталежелезобетонных неразрезных балках, выполненных из двутавровой балки и железобетонной прямоугольной полки, с учетом их совместной работы, а также анализу полученных результатов. Рассмотрены варианты расчета согласно отечественных и западноевропейских норм. При этом определено, что метод расчета по действующим нормам занижает общую несущую способность конструкции и анкеров в частности до 20% в упругой стадии работы в сравнении с полученной экспериментально за счет не учета совместной работы бетонной и стальной частей, а также не учитывает резервы за счет пластичной работы стали.

Также описано определение внутренних усилий в критических поперечных сечениях неразрезных сталежелезобетонных балок по первому и второму предельным состояниям. Выделены факторы, которые влияют на обеспечение совместной работы стальной балки и железобетонной плиты с помощью анкеров.

В разделе 4 выполнено численное исследование напряженно- деформированного состояния всех исследуемых образцов методом конечных элементов с помощью программных комплексов, которое проводилось параллельно с экспериментальными исследованиями. Выбор типа и размеров конечных элементов базировался на анализе моделей образцов на срез. Цель программного моделирования - выбор оптимальных размеров и конструкции экспериментальных образцов.

В разделе 5 выполнено оценивание эффективности изгибаемых сталежелезобетонных элементов, а также описано внедрение результатов диссертационной работы как в практику строительства новых зданий, так и при усилении и реконструкции существующих изгибаемых элементов конструкций. Сравнение зависимостей расходов на изготовление метра погонного стальной и сталежелезобетонной балок с использованием гибких анкеров разных типоразмеров выявило, что сталежелезобетонные балки более выгодны. При одинаковой себестоимости - несущая способность стальных балок ниже на 10% за несущую способность сталежелезобетонных.

Ключевые слова: неразрезные сталежелезобетонные балки, гибкие анкеры, напряженно деформированное состояние, совместная работа составных частей балки.

Abstract

Darienko V.V. Deflected mode of flexible anchors of steel-concrete composite beams of uncuts. - Manuscript.

Thesis for Candidate of Technical Sciences degree by speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. Poltava National Technical University named in honour of Uriy Kondratuk. - Poltava, 2009.

Dissertation is devoted the decision of problem evaluation of size of redistribution of efforts at the use of flexible anchors of applied for combination of steel wricked rental and reinforced concrete compressed shelve for compatible work in steel-concrete composite constructions of bends.

Experimental and theoretical researches of the tensely deformed state of flexible anchors are conducted in standards on a cut, one- and two-flight steel-concrete composite beams.

An analysis, adaptation and selection of more exact methods, are executed on determination of general strength capabilities of steel-concrete composite beams of uncuts and flexible anchors in particular. The satisfactory coinciding of experimental and theoretical values has got.

Key words: steel-concrete composite constructions of uncuts, flexible anchors, tensely deformed state, compatible work of component parts of beam, a steel rental belt, compressed reinforced concrete belt.

Размещено на Allbest.ru

...