Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ПОЛТАВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МІЦНІСТЬ ШПОНКОВИХ З'ЄДНАНЬ БЕТОННИХ І ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ

05.23.01 -- Будівельні конструкції, будівлі та споруди

РОЖКО ВАЛЕРІЙ НАРЦИЗОВИЧ

Полтава 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Полтавському національному технічному університеті імені Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки 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 Яременко Олександр Федорович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри будівельної механіки;

кандидат технічних наук, професор Золотов Михайло Сергійович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій.

Захист дисертації відбудеться „28” жовтня 2008 р., о 16 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 „ 22 ” вересня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.В. Чернявський

АНОТАЦІЯ

Рожко В.Н. Міцність шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів. - 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, 2008.

Запропонована вдосконалена методика розрахунку міцності шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів, яка базується на розгляді характеру руйнування і врахуванні визначальних факторів. На основі варіаційного методу теорії пластичності бетону розв'язано задачу із визначення граничного навантаження шпонкового стика із урахуванням форми шпонкового профілю, ширини шва, а також обох характеристик міцності бетону R_b і R_bt , співвідношення розмірів шпонок, армування, граничних умов на опорних поверхнях. Експериментально підтверджено на 28 зразках реальність існування областей пластичності, прийнятих у теоретичних рішеннях, виявлено вплив форми шпонкового профілю і ширини шва на характер руйнування та граничне навантаження. Проведено порівняльний аналіз теоретичної міцності, отриманої за запропонованою методикою, з дослідною.

Ключові слова: шпонка, шпонкові з'єднання, форма шпонкового профілю, ширина шпонкового шва, характер руйнування, граничне навантаження, теорія пластичності бетону.

АННОТАЦИЯ

Рожко В.Н. Прочность шпоночных соединений бетонных и железобетонных элементов. - 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, 2008.

Диссертация посвящена усовершенствованию методики расчёта прочности шпоночных соединений с учётом характера разрушения и совокупности определяющих факторов прочности на основе вариационного метода 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 соединений. Выделены основные факторы, влияющие на прочность и характер разрушения. Проанализированы существующие методы расчета стыков и сделан вывод о невозможности оптимизации конструктивных решений на их основе. Сформулированы основные задачи исследований.

Раздел 2 посвящен теоретическому решению задач прочности шпоночных стыков. Разработанная на основе вариационного метода теории пластичности методика расчета позволяет учитывать характер разрушения и основные факторы прочности: обе характеристики прочности бетона R_b і R_bt , геометрические размеры шпонок и их соотношения, форму шпоночного профиля, армирование, ширину шва, предельные условия на опорных поверхностях. Разграничены случаи разрушения, зависящие от конструктивных параметров стыков, и приведены аналитические зависимости по определению прочности для каждого случая.

Раздел 3. Программа экспериментов включала изучение деформированного состояния, характера разрушения и определения предельной нагрузки 3 серий образцов (всего 28 шт.). Основными целями исследований являлись экспериментальное подтверждение реальности существования в образцах областей пластичности, принятых в теоретических решениях и изучение влияния формы шпоночного профиля и ширины шва на прочность стыков.

Раздел 4 посвящен анализу результатов экспериментальных исследований. В ходе эксперимента подтверждено существование пластических зон, принятых в теоретических решениях, а также влияние формы шпоночного профиля и ширины шва на характер разрушения и предельную нагрузку стыков.

Раздел 5 посвящен сравнению теоретических значений предельной нагрузки, полученной согласно предложенной методики, и экспериментальных для 345 образцов в широком диапазоне изменения определяющих факторов прочности. Полученные результаты служат подтверждением возможности применения вариационного метода теории пластичности бетона при решении задач прочности шпоночных соединений. Статистические характеристики для отдельных шпонок: =1,01, =0,107, =10,6%; для шпоночных стыков: =0,98, =0,216, =22,04%.

Результаты диссертации. На основе вариационного метода теории пластичности бетона усовершенствована методика расчета прочности шпоночных соединений бетонных и железобетонных элементов. Даны практические рекомендации по конструированию и определению предельной нагрузки шпоночных стыков.

Ключевые слова: шпонка, шпоночные соединения, форма шпоночного профиля, ширина шпоночного шва, характер разрушения, предельная нагрузка, теория пластичности бетона.

ABSTRACT

Rozhko V.N. Strength of Keyed Joints of Concrete and Reinforced Concrete Elements. - 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, 2008.

In this thesis are propounded the improved methods of calculation of the strength of keyed joints of concrete and reinforced concrete elements. The methods are based on consideration of types of destruction and take into account of determining factors of strength. The problem of estimate of ultimate load of keyed joints are solved by means of variable method of theory plasticity of concrete taking account profile of keys and width of keyed joint. The realities of existing of yield zones, that are account in theoretical solutions, are confirmed experimental on 28 specimens, the influence of profile of keys and width of joints on 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, profile of key, width of keyed joint, type of destruction, ultimate load, theory plasticity of concrete

шпонковий бетонний армування міцність

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Стикові з'єднання, що сприймають зусилля зсуву та забезпечують спільну роботу конструкцій, є важливими конструктивними елементами будівель і споруд. У практиці будівництва досить широко розповсюджені шпонкові з'єднання, до яких відносяться стики плит перекриттів і покриттів, зєднання ригелів із колонами і колон з плитною частиною фундаментів, горизонтальні та вертикальні стики стінових панелей, контактні шви збірно-монолітних конструкцій, стики плит оболонок між собою і бортовими елементами та інші.

На даний час набуває популярності збірно-монолітний безбалковий каркас системи „КУБ-2,5” для житлових багатоповерхових будинків, при проектуванні якого додаткову увагу слід приділяти розрахунку та влаштуванню шпонкових стиків.

Забезпечення надійної сумісної роботи несучих елементів конструктивних систем має особливе значення при реконструкції об'єктів, різке зростання об'ємів якої спостерігається в останні роки.

Увага до шпонкових стиків буде зростати також у зв'язку із введенням у дію ДБН „Будівництво у сейсмічних районах” і „Навантаження і впливи”, у відповідності з якими для багатьох населених пунктів підвищена інтенсивність сейсмічних впливів, а для будівель -- збільшені значення вітрових і снігових навантажень.

Існуюча нормативна методика розрахунку шпонкових стиків базується на емпіричній основі, більшість же запропонованих дослідниками залежностей є частковими, обмеженими умовами конкретного експерименту, не враховують повної сукупності визначальних факторів міцності і приводять до суттєвої розбіжності з експериментальними даними.

Існуючий стан розрахунку не дозволяє оптимізувати конструктивні рішення шпонкових стиків. Тому вдосконалення методики 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 методики розрахунку шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону та експериментальних досліджень.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

-- отримати рішення задач з визначення граничного навантаження для:

? окремих бетонних (залізобетонних) шпонок з урахуванням форми шпонкового профілю, обох характеристик міцності бетону R_b і R_bt , армування, граничних умов на опорних поверхнях;

? багатошпонкових стиків з урахуванням ширини шпонкового шва;

-- експериментально дослідити деформований стан, характер руйнування, визначальні фактори міцності (форму шпонкового профілю, вид та клас бетону, армування, умови на опорних поверхнях, ширину шпонкового шва, кількість шпонок) шпонкових з'єднань;

-- проаналізувати збіжність отриманих теоретичних рішень з дослідними даними;

-- розробити пропозиції щодо практичних розрахунків міцності шпонкових з'єднань.

Об'єкт дослідження -- шпонкові з'єднання бетонних і залізобетонних елементів.

Предмет дослідження -- міцність шпонкових з'єднань.

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

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

-- вперше на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону розв'язано задачу з визначення граничного навантаження шпонкових стиків із урахуванням форми шпонкового профілю і ширини шпонкового шва;

-- на основі теоретичних рішень розмежовані випадки руйнування шпонкових стиків залежно від конструктивних факторів (довжини стика, кроку шпонок, ширини шпонкового шва, кількості шпонок) і запропоновані розрахункові залежності для визначення граничного навантаження в кожному випадку руйнування;

-- отримані нові експериментальні дані про деформований стан, характер руйнування і граничне навантаження шпонкових з'єднань;

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

Практичне значення отриманих результатів:

-- запропонована методика дозволяє:

? розв'язувати задачі міцності шпонкових стиків у широких межах зміни визначальних факторів;

? виявити резерви міцності і оптимізувати конструктивні рішення шпонкових стиків;

-- надані практичні рекомендації щодо розрахунків міцності шпонкових стиків та їх конструювання.

Результати дослідження впроваджені:

-- при проектуванні великопанельних та великоблокових будівель у Регіональній комплексній лабораторії сейсмостійкості та надійності будівель та споруд (м. Одеса) Відділу автоматизації досліджень та сейсмостійкості будівель і споруд Державного науково-дослідного інституту будівельних конструкцій (оцінювання міцності шпонкових з'єднань залізобетонних конструкцій);

-- 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).

Особистий внесок здобувача:

-- удосконалена методика розрахунку міцності шпонкових стиків;

-- на основі варіаційного методу теорії пластичності бетону отримані теоретичні рішення задач з визначення граничного навантаження шпонкових стиків різної форми шпонкового профілю і ширини шва;

-- розроблена методика та отримані результати експериментальних досліджень деформованого стану, характеру руйнування і граничного навантаження шпонкових з'єднань;

-- проаналізована збіжність теоретичної міцності з дослідною;

-- запропоновані рекомендації щодо практичних розрахунків міцності шпонкових стиків.

Апробація роботи. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на: 56-60 наукових конференціях професорів, викладачів, наукових працівників, аспірантів та студентів Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (м. Полтава, 2004-2008 рр.); Міжнародній студентській науковій конференції „Сучасне будівництво: конструкції, технології, перспективи” (м. Полтава, 2004 р.); IV науково-технічній конференції „Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі і споруди” (м. Рівне, 2005 р.); ІІ Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні наукові дослідження -- 2006” (м. Дніпропетровськ, 2006 р.); 63-й науково-технічній конференції НДАБУ (м. Новосибірськ, 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.); Міжнародній науково-технічній конференції „Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення” (м. Київ, 2007 р.); V Всеукраїнській науково-технічній конференції „Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (Київ - Полтава, 2007 р.).

Достовірність результатів дослідження підтверджується значним обсягом експериментальних досліджень і результатами порівняльного аналізу отриманих теоретичних рішень із дослідними на прикладі 345 зразків.

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано у 9 наукових працях, в т.ч. 5 наукових публікацій -- у спеціалізованих виданнях, внесених до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, двох додатків та списку використаних джерел із 153 найменувань. Робота викладена на 182 сторінках, зокрема: 138 сторінок основного тексту, 82 рисунки, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі виконаний аналітичний огляд вітчизняних та закордонних досліджень з питань міцності шпонкових з'єднань бетонних і залізобетонних елементів, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

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, І.О.Рохліна, О.В.Черкашина, О.В.Яшина, D.L.Araujo, S.C.Chakrabarti, J.Cristofferson, S.H.Megally, S.H.Rizkalla, W.Qi, T.Norimono, Y.Naotaka, E.Makitani, A.Muzikami, R.L.Serette та ін.

Відповідно до експериментальних даних на міцність шпонкового стику впливають фактори, які умовно можна поділити на дві групи: перша визначає міцність окремої шпонки (геометричні розміри та їх співвідношення, форма шпонкового профілю (кут нахилу опорних поверхонь), характеристики міцності бетону, наявність армування та обтиснення (розтягу), умови на опорних поверхнях); друга група -- фактори, обумовлені конструкцією стику (довжина стика, крок шпонок, ширина шпонкового шва, кількість шпонок).

Діюча нормативна методика розрахунку міцності стиків базується на результатах обробки експериментальних досліджень і не враховує реальний характер руйнування і більшості із зазначених факторів, зокрема: форму шпонкового профілю, ширину стика. Дослідниками запропоновано близько 30 залежностей для визначення граничного навантаження, які носять, як правило, емпіричний характер, не є точними і мають вузьку область застосування.

Другий розділ присвячено результатам теоретичних досліджень міцності шпонкових стиків варіаційним методом теорії пластичності бетону, розробленим в ПНТУ, котрий можна віднести до інженерних методів розрахунку, що приводять до дійсно простих залежностей, не потребують залучення складних комп'ютерних програм і можуть знайти широке розповсюдження в практиці проектування. В задачах міцності метою є визначення граничного навантаження, деформації при цьому не мають визначального значення. У таких випадках є доцільним використання більш простих моделей, що дозволяють успішно досягти поставленої мети.

В основі методу лежать наступні передумови:

1. До бетону в стадії руйнування застосовується передумова про ідеальну пластичність. Зовні крихкий характер руйнування елементів не є перешкодою до її застосування. Якісний критерій застосування теорії пластичності при розрахунках міцності сформульований як можливість існування (протягом хоча б миті) умови пластичності (міцності) по всій області граничного стану бетону, що повністю перетинає тіло і розвиток якої необхідний для перетворення його в кінематичний механізм;

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

F(у_ij)=T²+mу-T²_sh=0, (1)

де m=R_b-R_bt, T²_sh= R_bR_bt /3;

Т - інтенсивність дотичних напружень;

у - середнє напруження;

3. Зв'язок між швидкостями деформацій о_ij з напруженнями у_ij випливає із асоційованого закону плинності

, (2)

де л - коефіцієнт пропорційності (параметр Лоде-Надаї).

Швидкість об'ємної деформації о 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, які 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 W_bl - питома потужність пластичного деформування бетону, , -- сили і швидкості, що задаються відповідно на ділянках S_f і S_v поверхні тіла S=S_f S_v.

Найпростішим є розв'язок в розривних функціях швидкостей, що отримується, якщо припустити пластичні деформації зосередженими лише на поверхні .

Для плоских напружених станів перший доданок функціоналу (3) приймає вигляд

, (4)

де , , ?V_n, ?V_t -- нормальна і дотична складові швидкості на поверхні руйнування.

При теоретичному розв'язанні задачі міцності окремої бетонної (залізобетонної) шпонки використовується кінематична можлива схема руйнування зразка, що включає два диски (рис. 1). Диск І переміщується відносно диску ІІ зі швидкістю V (V_x, V_y). Диски розмежовані між собою поверхнею руйнування АВС (поверхнею розриву швидкостей). На площадці ВС діють граничні нормальні _u та дотичні _u напруження, що визначаються згідно умови міцності бетону Баландіна-Генієва (1). Площадку АВ вважаємо за головну з напруженнями розтягу _u = R_bt.

Невідомими даної задачі є граничне навантаження q_u, кут нахилу площадки АВ до вертикалі, кут нахилу площадки ВС до вертикалі, відношення швидкостей k=V_x/V_y (при розв'язанні задачі оперуємо відносними швидкостями, а не їх абсолютними значеннями).

Розв'язання задачі здійснюється в наступній послідовності:

1. Знаходяться розриви (скачки) нормальної ?V_n і дотичної ?V_t складових швидкості на поверхні руйнування:

?V^AB_n=V_xCosб+ V_ySinб, }; (5)

2. Площа площадок АВ і ВС дорівнює відповідно:

, . (6)

Несуча здатність трапецієподібних шпонок згідно експериментальних даних більша порівняно з прямокутними. На нашу думку, нахил опорних поверхонь призводить до нерівномірності передачі зовнішнього навантаження, а це, в свою чергу, до відхилення його рівнодіючої від вертикалі на кут и. Відповідно дослідам, залежність „ -- ” з достатньою для розрахунків точністю можна прийняти лінійною (рис. 2). Відхилення навантаження від вертикалі призводить до появи горизонтальної складової q_ul_kb_k sin и, яка і збільшує несучу здатність елементів.

Наведена на рис. 1 кінематично можлива схема руйнування для бетонних трапецієподібних шпонок реалізується при ш ? ц = 35-38,5° (tg ц = 0,7-0,8 -- коефіцієнт тертя бетону по бетону).

3. Записується функціонал (3) із урахуванням (4), котрий є завжди додатним і на дійсному напружено-деформованому стані досягає мінімуму, що дорівнює нулю.

Граничне навантаження при цьому визначається як:

(7)

де =l_k/h_k.

4. Додатковою умовою при пошуках q_u>min є УM_B=0:

(8)

Розрахунок проводимо за допомогою Microsoft Office Excel (Пошук рішення).

5. В залізобетонних шпонках армування враховується як зовнішнє навантаження, яке у разі досягнення текучості арматури у стадії руйнування дорівнює N_s=R_sA_s.

Методика дозволяє врахувати також умови на опорних поверхнях (наявність або відсутність сил тертя).

При теоретичному розв'язанні задачі міцності бетонного (залізобетонного) одношпонкового стика шириною t_j використовується кінематично можлива схема руйнування зразка, яка зображена на рис. 3. Диск І переміщується відносно диску ІІ зі швидкістю V (V_x, V_y). Диски розмежовані між собою поверхнею руйнування СВАD. На площадках ВС(AD) діють граничні нормальні _u та дотичні _u напруження, які визначаються

згідно умови міцності бетону Баландіна-Генієва (1). Площадку АВ вважаємо за головну з напруженнями розтягу _u = R_bt.

Невідомими даної задачі є граничне навантаження q_u, кут нахилу площадки АВ до вертикалі, кут нахилу площадок ВС і AD до вертикалі, відношення швидкостей k=V_x/V_y.

Горизонтальне зусилля, необхідне для статичної незмінності стика, забезпечується зовнішніми в'язями і знаходиться із умови рівності нулю суми моментів зовнішніх сил відносно осі, яка проходить через точку О: УM_o=0.

. (9)

Граничне навантаження одношпонкового шва , виражене через невідомі параметри, записується як:

. (10)

Додатковими умовами при пошуках q^j,1_u>min приймаємо умови рівноваги -- рівності нулю суми проекцій усіх сил на осі X і Y : УX=0, УY=0 (розглядаємо рівновагу блоку І).

Враховуючи (9), (10) додаткові умови приймають вигляд:

 (11)

(12)

Задача визначення несучої здатності багатошпонкових з'єднань включає визначення міцності окремої шпонки та міцності шпонкового шва при руйнуванні по похилій тріщині в залежності від можливих випадків руйнування, які визначаються шириною стика , довжиною шва , кількістю та кроком шпонок .

Для тришпонкового стика можливі випадки руйнування представлені на рис. 4.

Якщо ширина шва незначна, або взагалі відсутня, руйнування стика відбувається шляхом зрізу усіх шпонок (рис. 4, а) і несуча здатність стика визначається як

, (13)

де граничне навантаження окремої шпонки визначається за (8) в залежності від кута нахилу опорних поверхонь, характеристик міцності бетону, наявності армування і сил тертя.

При збільшенні ширини шва утворюється похила тріщина в межах висоти однієї шпонки, а дві інші шпонки зрізаються (рис. 4, б). Несуча здатність стика при цьому

, (14)

де граничне навантаження одношпонкового шва визначається за (10).

При подальшому збільшенні ширини шва утворюється похила тріщина в межах висоти двох шпонок, одна шпонка зрізається (рис. 4, в). Несуча здатність при цьому визначається як

, (15)

де граничне навантаження двошпонкового шва

(16)

При значній ширині шва утворюється похила тріщина в межах всього стика (рис. 4, г). Несуча здатність для такого випадку визначається за формулою

(17)

Із можливих випадків руйнування реалізується той, при якому граничне навантаження буде найменшим.

Застосування варіаційного методу теорії пластичності бетону при розв'язанні задач міцності шпонкових з'єднань дозволяє врахувати характер руйнування стиків шляхом прийняття відповідної кінематичної схеми, розкриває резерви міцності у порівнянні із діючими нормами шляхом врахування сукупності визначальних факторів, дає можливість для оптимізації форми шпонкового профілю, армування, параметрів стика (ширини , довжини шва , кількості та кроку шпонок ).

Третій розділ присвячено викладенню методики проведення експериментальних досліджень.

Програма експерименту включала випробування трьох серій дослідних зразків.

Перша серія призначалася для вивчення деформованого стану і міцності одношпонкових стиків ШС-1 з метою підтвердження реальності існування в зразках областей пластичності, що передбачені в теоретичних рішеннях та дослідження впливу форми шпонкового профілю і умов на опорних поверхнях на характер руйнування і граничне навантаження стиків.

У межах другої серії на одношпонкових зразках ШС-2 з прямокутними шпонками і змінною шириною шва =50; 100; 150; 200 мм вивчався вплив ширини шва на міцність одношпонкових стиків.

В тришпонкових зразках третьої серії ШС-3 варіювалися: геометрична форма шпонок (прямокутні, трапецієподібні, трикутні) та ширина шва (50; 100; 150; 200 мм) з метою вивчення впливу цих факторів на характер руйнування і граничне навантаження дослідних зразків.

Співвідношення розмірів шпонок становило 0,25-0,5 , що забезпечувало їх руйнування від зрізу.

В площині зрізу шпонки усіх зразків армувалися поперечними стержнями 2 8 АІ.

Параметри зразків представлені в табл. 1-3.

Табл. 1. Експериментальні параметри дослідних зразків ШС-1

Шифр зразка	Геометричні параметри зразка	Rb, МПа	Rbt, МПа	Аk, см 2	Rs, МПа	Граничне навантаження, Qu, кН	, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8
ШС-1-1		16,8	1,45	2Ч151	280	165	5,46
ШС-1-1а				2Ч148		140	4,72
ШС-1-1б		15,7	1,28	2Ч150		140	4,67
ШС-1-1в				2Ч154		135	4,38
ШС-1-2		16,8	1,45	2Ч152		170	5,59
ШС-1-2а				2Ч150		150	5,0
ШС-1-2б		15,7	1,28	2Ч155		165	5,32
ШС-1-2в				2Ч147		135	4,6
ШС-1-3		16,8	1,45	2Ч154		185	6,0
ШС-1-3а				2Ч146		170	5,7
ШС-1-3б		15,7	1,28	2Ч154		165	5,65
ШС-1-3в				2Ч151		150	5,0

Табл. 2. Експериментальні параметри дослідних зразків ШС-2

Шифр зразка	Геометричні параметри зразка	, мм	Rb, МПа	Rbt, МПа	Аk, см 2	Rs, МПа	Граничне навантаження, Qu, кН	, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ШС-2-1		50	6,44	0,78	151	280	28	1,85
ШС-2-2		100			158		30	1,9
ШС-2-3		150			155		26	1,68
ШС-2-4		200			153		20	1,31

Табл. 3. Експериментальні параметри дослідних зразків ШС-3

Шифр зразка	Геометричні параметри зразка	, мм	Rb, МПа	Rbt, МПа	Аk, см 2	Rs, МПа	Граничне навантаження, Qu, кН	, МПа
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
ШС-3-1		50	12,9	1,6	3Ч153	280	165	3,59	0,28
ШС-3-2		100			3Ч158		160	3,38	0,26
ШС-3-3		150			3Ч152		140	3,07	0,24
ШС-3-4		200			3Ч168		125	2,48	0,19
ШС-3-5		50	12,9	1,6	3Ч157		170	3,61	0,29
ШС-3-6		100			3Ч160		170	3,54	0,27
ШС-3-7		150			3Ч162		160	3,29	0,26
ШС-3-8		200			3Ч158		150	3,16	0,24
ШС-3-9		50	10,45	1,2	3Ч157		160	3,4	0,32
ШС-3-10		100			3Ч146		140	3,2	0,31
ШС-3-11		150			3Ч150		130	2,89	0,28
ШС-3-12		200			3Ч148		120	2,7	0,26

Одночасно бетонувалися зразки однієї серії. Виготовлення зразків здійснювалося у два етапи із керамзитобетону двох різних класів. На першому етапі бетонувалися бокові частини стику бетоном більш високого класу з метою запобігання їхнього руйнування під час випробувань.

У четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень.

Усі дослідні зразки серії ШС-1 зруйнувалися по перерізу, розташованому поблизу площини зрізу (рис. 5). Руйнування супроводжувалося зміщенням бокових частин зразків відносно центральної при досягненні напружень в арматурі межі текучості. Поверхня руйнування визначалася при рівні 0,8-0,9 Q_u, вона утворювалася по кривій, близькій до вертикалі. Подальше збільшення навантаження призводило до різкого збільшення швидкості взаємного зміщення частин зразка та до інтенсивного зростання деформацій арматурних в'язей.

Форма поперечного перерізу шпонок на нашу думку є одним із визначальних факторів міцності шпонкового стика, як видно із дослідів найбільшу міцність мають шпонки із трикутним профілем, найменшу -- з прямокутним (табл. 1).

На рис. 6 наведені залежності „Q/Q_u -- е_b (е_bt)” для бетону дослідних зразків в зонах стиску та розтягу і залежності „Q/Q_u -- е_s” для арматури дослідних зразків. При навантаженні, що передує руйнуючому, фіксувалися відносні деформації стиску бетону, котрі досягають величин 180Ч10^-5, при цьому залежність „Q/Q_u -- е_b” викривляється, що свідчить про наявність пластичних зон.

При руйнуванні напруження в арматурі досягали межі текучості.

Всі одношпонкові стики серії ШС-2 зруйнувалися по шву шляхом утворення похилої тріщини. При рівні навантаження 0,7-0,8 Q_u в бетоні шпонок утворювалася ледь помітна тріщина під кутом приблизно 45°. Із збільшенням навантаження вона розповсюджувалася в тіло стика і руйнування відбувалося зовні крихко шляхом зміщення однієї частини зразка відносно іншої. Із

збільшенням ширини шва міцність зразків зменшується. При ширині шва t_j = 50; 100 мм (зразки ШС-2-1 і ШС-2-2) похилі тріщини з'єднували кути протилежних шпонок, при шві t_j=150; 200 мм (зразки ШС-2-3 і ШС-2-4) тріщини розпочиналися із кута однієї із шпонок і розповсюджувалися у міжшпонковий простір.

Характер руйнування зразків представлено на рис.7.

Усі дослідні зразки серії ШС-3 мали схожий характер тріщиноутворення. При рівнях навантаження 0,6-0,7 Q_u з'являлися тріщини приблизно під кутом 45° в місцях концентрації напружень в основі крайніх шпонок. Далі утворювалася вертикальна тріщина у крайній шпонці (зверху або знизу), тобто зрізалася першою найбільш завантажена шпонка.

При рівнях навантаження 0,8-0,9 Q_u визначалася одна із двох можливих схем руйнування: або утворювалися вертикальні тріщини в середніх шпонках та похилі по шву в межах останньої шпонки (зразки з шириною шва 50 і 100 мм), або похилі тріщини в тілі стика з розділенням на два блоки (зразки з шириною шва 150 та 200 мм), шпонки стика при цьому не руйнувалися.

Відносна міцність стиків виявилася найбільшою для зразків з трикутними шпонками, найменшою -- з прямокутними шпонками (табл. 3).

Із збільшенням ширини шва міцність стиків знижується.

Напруження в арматурі в зоні утворення магістральної тріщини в стадії руйнування досягають межі текучості. Найбільше значення деформації досягають в шпонках, що зазнали руйнування шляхом зрізу.

Досліди підтвердили реальність існування розподілу напружень і деформацій у зонах стиску і розтягу, що передбачені у теоретичних рішеннях, а також вплив форми шпонкового профілю і ширини шва на міцність з'єднань.

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

Дані, представлені на рис. 9 свідчать про достатню близькість теоретичної міцності, отриманої згідно із запропонованою методикою, з дослідною для окремих бетонних (залізобетонних) шпонок з різною формою шпонкового профілю. Загалом для 106 зразків (із них 94 належать іншим дослідникам) отримані наступні статистичні характеристики: = 1,01; = 0,107; = 10,6%

(визначальні фактори змінювалися в таких межах: співвідношення коливалося в межах 0,2ч0,8, кут нахилу опорної поверхні становив ш=0ч60°, при міцності бетону на стиск = 6,4ч96,76 МПа і коефіцієнті армування =0ч0,257). Нормативний розрахунок приводить до наступних результатів: = 0,78; = 0,248; = 31,8%.

При аналізі міцності для шпонкових стиків коливалося в межах 0,2ч0,5, ш=0ч60°, при =4,5ч59,0 МПа і м_s=0ч0,441, кількості шпонок =1ч7 та ширині шва =0ч375 мм. Для 239 зразків отримані наступні статистичні характеристики: середнє арифметичне співвідношення ==0,98; =0,216; =22,04%.

На рис. 10 зображено залежність „” для 3 серій двошпонкових зразків-близнюків при = 0,4 з різною шириною шва .

Отримані результати порівняльного аналізу теоретичної та дослідної міцності можуть слугувати підтвердженням можливості застосовування варіаційного методу теорії пластичності бетону при розв'язанні задач міцності шпонкових з'єднань.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ І ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Діюча нормативна методика розрахунку шпонкових стиків базується на результатах статистичної обробки експериментальних досліджень, не враховує характер руйнування та усіх визначальних факторів міцності, що не дозволяє оптимізувати конструкцію стиків.

2. На основі варіаційного метода теорії пластичності бетону запропонована вдосконалена методика розрахунку міцності шпонкових з'єднань, яка враховує характер руйнування та головні визначальні фактори міцності: обидві характеристики міцності бетону R_b і R_bt, геометричні розміри шпонок і їх співвідношення, форму шпонкового профілю (кут нахилу опорних поверхонь), армування, ширину і довжину шва, кількість шпонок, граничні умови на опорних поверхнях.

3. Розв'язані задачі з визначення граничного навантаження окремої бетонної (залізобетонної) шпонки з урахуванням форми шпонкового профілю та шпонкових стиків з урахуванням ширини шва.

4. В результаті експериментальних досліджень з'ясовано вплив форми шпонкового профілю на міцність шпонкових з'єднань. Найбільшу міцність мають стики з трикутним профілем шпонки, найменшу -- з прямокутним.

5. Ширина шва визначає характер руйнування і граничне навантаження шпонкових швів. Із збільшенням ширини шва міцність стиків зменшується. В дослідженнях встановлено три можливі схеми руйнування шва: тільки по шпонках; по шпонках і шву; тільки по шву.

6. Достовірність запропонованої методики підтверджується порівняльним аналізом теоретичної міцності, визначеної згідно із запропонованою методикою, із дослідною для 345 зразків (28 із яких належать авторові). Статистичні характеристики для окремих шпонок: =1,01, =0,107, =10,6%; для шпонкових стиків: =0,98, =0,216, =22,04%.

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

8. Запропонована методика є більш точною, порівняно з нормативною, для якої статистичні характеристики для окремих шпонок: =0,78, =0,248, =31,8%. Необхідна точність досягається за рахунок використання відповідної кінематичної схеми руйнування, що відображає специфіку кожної конкретної задачи. Це дозволяє оптимізувати конструктивні вирішення стиків.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Погрібний В.В. Міцність обтиснутих бетонних шпонок при зрізі / В.В. Погрібний, О.О. Довженко, В.Н. Рожко // Коммунальное хозяйство городов: науч.-техн. сб. -- К.: Техника. 2004. -- Вып. 55. -- С.290-297. (Особистий внесок: проведення експериментальних досліджень, визначення впливу ступеня обтиснення на міцність окремих шпонок).

2. Погрібний В.В. Експериментальні дослідження багатошпонкових стиків / В.В. Погрібний, О.О. Довженко, В.Н. Рожко // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. пр. -- Рівне: НУВГП, 2005. -- Вип. 12. -- С. 271-275. (Особистий внесок: запропоновано методику і проведені експериментальні дослідження багатошпонкових стиків, виявлено залежність між шириною шпонкового шва та характером руйнування і граничним навантаженням стиків).

3. 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 експериментальних досліджень та факторів, що впливають на міцність шпонкових з'єднань, а також існуючих методів розрахунку).

4. Довженко О.О. Міцність шпонкових з'єднань з урахуванням різної форми шпонкового профілю / О.О. Довженко, В.Н. Рожко, Т.Ю. Качан // Коммунальное хозяйство городов: науч.-техн. сб. -- К.: Техника, 2007. -- Вып. 76. -- С. 113-123. (Особистий внесок: запропоновано методику проведення експериментальних досліджень одношпонкових стиків з метою визначення впливу кута нахилу опорної поверхні шпонки, оброблені дослідні дані та отримані розрахункові залежності для визначення міцності окремих шпонок).

5. Рожко В.Н. Розрахунок окремих залізобетонних шпонок різної форми шпонкового профілю / В.Н. Рожко // Дороги і мости: зб. наук. пр. -- К.: ДерждорНДІ, 2007. -- Вип. 7. -- С. 137-143.

6. Погребной В.В. Экспериментальное изучение влияния ширины шва и формы шпоночного профиля на прочность стыков / В.В. Погребной, О.А. Довженко, В.Н. Рожко // Тезисы докл. 63-й науч.-техн. конф. -- Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2006. -- С. 21-22. (Особистий внесок: запропоновано методику проведення експериментальних досліджень багатошпонкових стиків).

7. Рожко В.Н. Методика проведення експериментальних досліджень шпонкових стиків / В.Н. Рожко // Матеріали ІІ міжнар. наук.-практ. конф. „Сучасні наукові дослідження-2006”. -- Д.: Наука і освіта, 2006. -- Т.45 -- С. 16-21.

8. Довженко О.А. Вариационный метод в расчете шпоночных соединений / О.А. Довженко, В.Н. Рожко // Совершенствование расчета прочности элементов бетонных, железобетонных и каменных конструкций: сб. науч. тр., посвященный 70-летию со дня рождения В.П.Митрофанова. -- Полтава: ПолтНТУ, 2007. -- С. 81-92. (Особистий внесок: отримання розрахункових залежностей для визначення міцності шпонкових з'єднань та порівняльний аналіз теоретичних рішень з експериментальними даними).

9. Погребной В.В. Экспериментальные исследования шпоночных стыков / В.В. Погребной, О.А. Довженко, В.Н. Рожко // Совершенствование расчета прочности элементов бетонных, железобетонных и каменных конструкций: сб. науч. тр., посвященный 70-летию со дня рождения В.П. Митрофанова. -- Полтава: ПолтНТУ, 2007. -- С. 93-100. (Особистий внесок: визначення типів та кількості зразків для проведення експериментальних досліджень багатошпонкових стиків).

Размещено на Allbest.ru

...