Напружено-деформований стан зігнутих елементів у сталезалізобетонних конструкціях з’єднаних задопомогою склеювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний авіаційний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Напружено-деформований стан зігнутих елементів у сталезалізобетонних конструкціях з'єднаних задопомогою склеювання

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Глушаниця А.І.

Київ 2016

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки Украйни.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Лапенко Олександр Іванович,

Національний авіаційний університет, завідувач

кафедри комп'ютерних технологій будівництва

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Нижник Олександр Васильович,

Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, декан електромеханічного факультету

кандидат технічних наук

Гензерський Юрій Валерійович,

Товариство з обмеженою відповідальністю
«ЛІРА-САПР», заступник директора

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Використання типових залізобетонних конструкцій при проектуванні є традиційним. Це обумовлено наявністю розроблених типових серій залізобетонних виробів, використання яких спрощує роботу проектувальника. Проте за потреби запроектувати будівлю з нестандартними розмірами або з індивідуальним технологічним устаткуванням, виникає потреба у використанні нетипових конструкцій. У разі використання в таких випадках залізобетонних виробів, собівартість останніх зростає за рахунок вартості неінвентарної опалубки для виготовлення конструкцій.

Широкого поширення дістали комплексні сталезалізобетонні конструкції, що поєднують у собі переваги та усувають недоліки аналогічних залізобетонних та металевих конструкцій. Залізобетонні конструкції з зовнішнім листовим армуванням мають ряд переваг порівняно із залізобетонними конструкціями за рахунок використання робочої стрічкової арматури на зовнішній грані перерізу, що збільшує робочу висоту перерізу та зменшує загальну висоту конструкції. Втрата загальної чи місцевої стійкості, що характерна для металевих конструкцій, виключається за рахунок сумісної роботи з бетоном. Використання залізобетонних конструкцій з зовнішнім листовим армуванням дозволить знизити вартість та трудовитрати при будівництві. Особливості армування залізобетонних конструкцій з зовнішнім листовим армуванням дозволяють спростити виготовлення конструкцій і відмовитися від опалубки. Тому створення, дослідження несучої здатності й напружено-деформованого стану сталезалізобетонних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням і розроблення методів їх розрахунку є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Тема дисертаційної роботи відповідає актуальним напрямам науково-технічної політики в галузі оцінювання технічного стану будівель та споруд у відповідності до постанови Кабінету Міністрів України від 5 травня 1997 р. № 409 «Про забезпечення надійності й безпечної експлуатації будівель, споруд та інженерних мереж».

Дисертаційна робота виконана у відповідності із загальним планом наукових досліджень на кафедрі комп'ютерних технологій будівництва Національного авіаційного університету за держбюджетною темою
№ 6/10.01.02 «Новітні технології проектування залізобетонних конструкцій, що зводяться та експлуатуються в складних інженерно-геологічних умовах» (номер державної реєстрації 0111U004461) та науково-дослідної роботи яка виконана у Науково-дослідному інституті комп'ютерних технологій будівництва та архітектури (НДІ КТБА) Національного авіаційного університету, за договором № 752-889-Х13 «Визначення причин руйнування будівельних конструкцій, розробка рекомендацій по усуненню наслідків руйнування та заходів по забезпеченню подальшої надійної та безпечної експлуатації будівлі, ТОВ «ЛЕОНІ Ваєрінг Сістемс Україна».

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи - створити нові види та розробити методи оцінювання напружено-деформованого стану та розрахунку несучої здатності сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання на основі експериментально-теоретичних досліджень.

Задачі дослідження:

– створення нових видів сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

– експериментально дослідити несучу здатність та деформативність сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання залежно від виду конструкції та способу завантаження.

– дослідження напружено-деформованого стану елементів сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

– розроблення практичної методики розрахунку міцності за нормальними перерізами досліджуваних сталезалізобетонних конструкцій.

– впровадження результатів досліджень у проектування та будівництво.

Об'єкт дослідження - сталезалізобетонні балки, підсилені у розтягнутій зоні металевими елементами за допомогою епоксидного та акрилового клеїв.

Предмет дослідження - напружено-дефомований стан зігнутих елементів у сталезалізобетонних конструкціях з'єднаних за допомогою склеювання.

Методи дослідження - виконання експериментальних і теоретичних досліджень напружено-дефомованого стану у сталезалізобетонних конструкціях з використанням сучасних програмних комплексів та обладнання, методи будівельної механіки, методи математичного моделювання, теорії ймовірності та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

-вперше одержано експериментальні результати щодо напружено-деформованого стану нових конструктивних рішень сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання та встановлено характер їх руйнування;

-удосконалено конструктивні рішення нових сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання;

-дістало подальший розвиток дослідження особливостей роботи бетону в комплексному сталезалізобетонному перерізі під навантаженням, що дозволяє зробити висновок про сумісну роботу елементів конструкції;

-отримали подальшого розвитку спрощені методи розрахунку залізобетонних конструкцій з симетричним листовим армуванням з урахуванням нормативних залежностей _с-_с;

-удосконалено методики розрахунку несучої здатності та оцінювання напружено-деформованого стану сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

Практичне значення одержаних результатів.

-запропоновано нові конструктивні елементи, що дозволяють виготовляти конструкції в незнімній опалубці;

-запропоновано інженерну методику розрахунку несучої здатності лінійних елементів досліджуваних конструкцій;

-розроблено рекомендації щодо вдосконалення проектування несучих сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

Результати, отримані в дисертаційній роботі, впроваджені:

- при розробці проектних пропозицій будівництва ковальського цеху на території дільниці центру металевих конструкцій в с. Гоголево Велико-Багачанського району Полтавської області, в яких сумісна робота бетону та сталі досягається за рахунок приклеювання свіжоукладеної бетонної суміші до сталевої частини;

-для розробки проектних пропозицій будівництва спортзалу Березанської загальноосвітньої школи №2 Київської області. Економічний ефект від впровадження складає двадцять сім тисяч гривень.

- в навчальному процесі, а саме у конспекті лекцій з дисциплін «Будівельні конструкції», «Металеві конструкції»,«Реконструкція будівель та споруд аеропортів», «Комп'ютерні технології проектування конструкцій будівель та споруд аеропортів» Національного авіаційного університету для студентів напряму підготовки 6.060101«Будівництво».

Особистий внесок здобувача.

Результати досліджень, уключені в дисертацію, отримано автором самостійно. В публікаціях у співавторстві особистий внесок здобувача полягає в такому: аналіз результатів експериментальних досліджень та їх обробка, визначення деформацій та переміщень; аналіз та порівняння результатів експериментальних досліджень з теоретичними.

Основні положення дисертаційної роботи відображені в публікаціях автора: [1]-оброблені, проаналізовані та узагальнені експериментальні дослідження різних авторів, що стосується роботи залізобетонних та сталезалізобетонних балок, підсилених зовнішнім армуванням; [2] - розроблена методика та програма моделювання напружено-деформованого стану сталезалізобетонних балкових конструкцій, посилених зовнішнім сталевим армуванням на ПЕОМ; [3] - проведення натурного експерименту та його аналіз; [4] - аналіз досліджень різних авторів, щодо використання акрилових клеїв для підсилення балкових конструкцій; [5] -визначення факторів клейового з'єднання, що впливають на несучу здатність конструкцій при підсиленні; [6] -визначення переваг та недоліків зовнішнього сталевого армування при підсиленні конструкцій; [7] -аналіз літературних джерел з підсилення будівельних конструкцій сталевим армуванням у закордонній практиці; [8] -оцінка впливу клейового з'єднання на несучу здатність конструкцій; [9] -результати натурних експериментів; [10] -запропонований новий метод підсилення будівельних конструкцій.

Апробація результатів дисертації.

Результати експериментально-теоретичних досліджень були представлені на наукових конференціях Полтавського національного технічного університету імені Юрія Кондратюка (2013, 2014рр.), І Міжнародному конгресі «Міське середовище-ХХІ сторіччя. Архітектура. Будівництво. Дизайн» (Національний авіаційний університет, 2014 р.), ХII Міжнародній науково-технічній конференції «АВІА-2015» (Національний авіаційний університет), VII Міжнародній науково-пракичній конференції «Архітектура та екологія» (Національний авіаційний університет, 2015р.), ІІ Міжнародному конгресі «Міське середовище - ХХІ сторіччя. Архітектура. Будівництво. Дизайн» (Національний авіаційний університет, 2016 р.)

У завершеному вигляді дисертаційна робота доповідалась на розширеному засіданні кафедри комп'ютерних технологій будівництва та реконструкції аеропортів та автомобільних шляхів у 2015 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 10 робіт, із них 5 у фахових виданнях, рекомендованих ВАК України, 2 у закордонних наукових періодичних виданнях, та 3 - у матеріалах і тезах доповідей вітчизняних та міжнародних конференцій, симпозіумів і семінарів.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків до кожного розділу, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 141сторінку, у тому числі 115 сторінок основного тексту, 31 рисунок,
11 таблиць, список використаних джерел із 138 найменувань та 4 додатка на 10 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуто актуальність, мету та задачі дисертаційної роботи. Приведені наукові положення, а також дані щодо апробації.

Перший розділ присвячено аналізу результатів проведених на даний час досліджень і досвіду застосування в будівництві зігнутих елементів у сталезалізобетонних конструкціях з'єднаних за допомогою склеювання.

Розглядаються експериментальні та теоретичні роботи з розрахунку згинальних елементів з зовнішнім сталевим армуванням, досліджень залізобетонних та сталебетонних конструкцій, посилених зовнішнім сталевим армуванням, визначення прогинів згинальних сталебетонних елементів.

Питання експериментального дослідження та теорії розрахунків сталезалізобетонних конструкцій з різними видами армування розглянуті в роботах Т.Н. Азізова, А.М. Бамбури, А.Я. Барашикова, О.Я. Берга, Є.М. Бабича, С.В. Бондаренка, З.Я. Бліхарського, Г.Л. Ватулі, П.Ф. Вахненка, Б.Г.Гнідця, А.Б. Голишева, В.І. Голоднова, В.Г. Кваші, Ф.Є. Клименка,
В.С. Дорофєєва, Д.А. Єрмоленко, В.І. Єфіменко, Є.В. Клименка, П.І. Кривошеєва, Ю.І. Лозового, А.І. Мальганова, О.В. Нижника, О.В. Семка, Л.І. Стороженка, Р.С. Санжаровського, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіна, A.Y.Elghazouli, H.Thomasch, E.Spacone, Q.Q.Liang та ін.

Також приділяється значна увага визначенню напружено-деформованого стану елементів будівельних конструкцій за допомогою моделювання його на ПК з урахуванням реальної роботи матеріалів за допомогою різних методів будівельної механіки і співставлення отриманих теоретичних результатів з експериментальними випробуваннями.

Проблемою детального вивчення несучої здатності клейових з'єднань займалися багато науковців, зокрема, М.С. Золотов, Л.М. Шутенко, О.О. Гвоздєв, В.В. Душин, R. Jones, T.M. Roberts.

Метод підсилення залізобетонних конструкцій зовнішнім сталевим армуванням за допомогою клейових сумішей є безперечно одним із найкращих та ефективних. Для подальшого розвитку даного напрямку досліджень необхідні положення по розрахунку та покращення існуючих розробок у цьому напрямку. Для цього необхідне проведення значної кількості натурних випробовувань та щільного аналізу отриманих результатів.

Дана дисертаційна робота,направлена на вивчення нових типів підсилення балкових конструкцій є актуальною. Має практичну та теоретичну цінність у сучасній будівельній галузі.

У другому розділі розглянутий теоретичний розрахунок сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

Розрахунки міцності перерізів, нормальних до поздовжньої осі сталезалізобетонних балок із зовнішнім армуванням, рекомендується проводити аналогічно розрахунку міцності, як звичайних залізобетонних балок, але деякі аспекти визначення несучої здатності елементів потрібно уточнювати, оскільки в роботу включається не тільки стрижнева, а й листова арматура.

Розрахунки міцності перерізів, нормальних до поздовжньої осі сталезалізобетонних балок із зовнішнім армуванням, рекомендується проводити аналогічно розрахунку міцності, як звичайних залізобетонних балок, але деякі аспекти визначення несучої здатності елементів потрібно уточнювати, оскільки в роботу включається не тільки стрижнева, а й листова арматура.

Крім того, у практиці будівництва будівельних конструкцій рідко виникає необхідність точно описати напружено-деформований стан елемента. Як правило буває достатньо з необхідною точністю визначити несучу здатність елемента і максимальні прогини.

Таким чином, існує необхідність уточнення існуючих методів розрахунку, що дасть змогу оцінити несучу здатність і деформативність конструкції. При розгляді напружено-деформованого стану залізобетонних елементів із зовнішнім армуванням прийняті такі передумови:

- дотримується гіпотеза плоских перерізів;

- дотримуються умови статики:

; ; (1)

- опір бетону на розтяг приймається таким,що дорівнює нулю;

-опір бетону на стиск умовно представляється напруженням, що дорівнює R_b, (помножений у необхідних випадках на коефіцієнт умов роботи), рівномірно розподіленим по частині стиснутої зони;

- розтягуючі напруження в листовій і стрижневій арматурі приймаються не більше розрахункових опорів розтягу R_y і R_s, помноженими, в необхідних випадках на коефіцієнт умови роботи;

- стискаючі напруження в листовій і стрижневій арматурі приймаються не більше розрахункових опорів на стиск R_y і R_sс, помноженими в необхідному випадку на коефіцієнт умов роботи.

При випробуванні всіх балок на згин руйнування проходило по нормальному перерізу. Причиною руйнування було досягнення напружень межі текучості сталевої арматури та відшарування вертикальної листової арматури з подальшим руйнуванням бетону в стиснутій зоні перерізу.

Оцінка міцності елементів для вказаних форм руйнування може бути представлена на основі сумісного рішення рівноваги поздовжніх сил залежно від схеми внутрішніх зусиль.

За запропонованою методикою були обчислені дослідні зразки і зіставлені з наведеними в розділі 3 експериментальними значеннями, поданими в таблиці 1.

Таблиця 1

Порівняння значень несучої здатності дослідних зразків

Зразки	Згинальний момент, кН.м
	Експериментальний	Теоретичний	Розбіжність, %
Б-1-1	32,71	32,53	-0,5
Б-1-2	45,80	38,91	-17,7
Б-1-3	50,04	40,24	-24,3
Б-2-1	79,29	71,20	-11,4
Б-2-2	88,99	77,56	-14,7
Б-2-3	92,37	78,91	-17,0
Середнє арифметичне значення (відношення Мтеор./Мексп.) 0,88
Середнє квадратичне відхилення 0,0589
Коефіцієнт варіації 0,067

Отже, результати експериментальних і теоретичних значень дають змогу вважати, що метод за граничними станами не дає достатньої точності результатів і потребує більш глибокого вивчення та вдосконалення розрахунку.

Прогини сталезалізобетонних елементів із зовнішнім армуванням визначаються за загальними правилами будівельної механіки в залежності від згинальних, зсувних та осьових деформаційних характеристик елементів у перерізах по їх довжині (кривизн, кутів зсуву і т. д.). Для визначення повного прогину, враховуючи деформації зсуву, достатній ступінь наближення дає формула:

. (2)

У тих випадках, коли прогини сталезалізобетонних елементів залежать від згинальних деформацій, прогини визначають за кривизною елемента. Розрахунок максимальних прогинів f_M згинальних сталезалізобетонних елементів постійного по довжині перерізу проводять за правилами будівельної механіки, приймаючи кривизну, яка змінюється пропорційно значенню згинального моменту. Для вільно обпертих балок максимальний прогин визначається за формулою:

сталезалізобетонний конструкція деформованість

. (3)

Числове значення коефіцієнта S для визначення прогину в середині прольоту вільно обпертої балки при зосереджених двох симетрично від опор силах на відстані а визначається за формулою:

. (4)

Кривизна сталезалізобетонних елементів від дії відповідних навантажень визначається за формулою:

, (5)

, (6)

де I_b - моменти інерції бетонного перерізу відносно центру ваги приведеного поперечного перерізу елемента; б - коефіцієнт приведення площі перерізу бетону до сталі, що визначається за формулою:

, (7)

, (8)

де а - відстань від зосередженої сили до опори балки.

Результати розрахунку дозволяють вважати, що значення теоретичного прогину не відображають реальних значень жорсткості випробуваних згинальних сталезалізобетонних елементів із зовнішнім армуванням і потребують більш глибокого вивчення та вдосконалення методики розрахунку.

Для визначення критичних деформацій бетону еbu`, що відповідають граничному стану при неоднорідному деформуванні перерізу, визначаються відповідні зусилля. Розглядаючи прямокутний переріз шириною b, рівнодійну в стиснутому бетоні можна записати рівністю:

, (9)

де уb(еbx) - функція стискаючих напружень бетону.

Її можна прийняти відповідно до залежності

N_b=Nb1 +Nb2, (10)

де Nb1 - складова рівнодійної, що сприймається стиснутим бетоном перерізу по висоті, де відбувається деформування за законом висхідної частини повної діаграми уb-еb, Nb2 - така ж складова по висоті, де відбувається деформування за законом спадної частини повної такої діаграми.

Враховуючи гіпотезу плоских перерізів, змінюється значення деформацій _bх, що змінюється за лінійним законом на висоті x від нейтральної осі перерізу виразимо через _b,max. Розташоване на висоті xf від нейтральної осі, значення може бути представлене залежністю:

_bx = еb,max x / xf , (11)

xf=hoеbuґ/(еfu+еbuґ),

де еfu - гранична деформація розтягнутої листової арматури, що може дорівнювати фізичній або умовній межі текучості.

Після відповідної заміни, інтегрування, підстановки меж інтегрування і необхідних перетворень, у чисельних експериментах рівнодійні будуть мати вигляд:

; (12)

. (13)

Кінцеве значення складової рівнодійної в бетоні при неоднорідному стиску можна виразити формулами:

N_b1=bx_f L₁ /е_b,max; (14)

Nb2=bxf [(D0+D1еb,max/2+D2 еb,max²/3)-L2 /еb,max]. (15)

Для визначення координати точки прикладання рівнодійної в стиснутій частині армованого перерізу визначається згинальний момент, що сприймається стиснутою частиною бетону відносно нейтральної осі перерізу:

. (16)

Рівнодійна стиснутої частини армованого перерізу визначається як сума складових: рівнодійної в стиснутому бетоні та рівнодійної стиснутої частини листової арматури. Рівнодійна всіх внутрішніх зусиль, що сприймається армованим перерізом, може бути представлена залежністю:

. (17)

Рівнодійна стиснутої частини вертикальних листів визначається за формулою:

(18)

де і=1, 2, ... n - кількість фібр у стиснутій частині перерізу листової арматури, розміщених на відстані zri^` від нейтральної осі; - напруження і-тої фібри стиснутої листової арматури.

Точність роботи запропонованої математичної моделі розрахунку сталезалізобетонних конструкцій повністю залежить від точності вхідної інформації про фізико-механічні характеристики сталевої арматури.

Міцність такого перерізу визначається згідно з розрахунковою схемою внутрішніх зусиль за формулою:

, (19)

де Zb - плече внутрішньої пари сил (відстань між рівнодійною стиснутої частини армованого перерізу і розтягнутого нижнього сталевого листа),що визначається відповідно до розрахункової схеми за формулою:

Z_b=yo+ho-xf, (20)

де Nr - рівнодійна розтягнутої частини вертикальних листів, яка визначається за формулою:

, (21)

де - напруження (еri - деформація) і-го ряду розтягнутої фібри вертикальної листової арматури.

, (22)

де еfу - гранична деформація розтягнутого нижнього сталевого листа.

еfу= Rfy /Еf. (23)

де Zr -відстань між рівнодійною розтягнутої частини перерізу вертикальних листів і розтягнутого нижнього сталевого листа визначається за формулою:

Z_r=ho-xf -уor , (24)

Рівність буде використовуватися для реалізації в числових експериментах ітераційного пошуку крайових критичних деформацій бетону е_bu` неоднорідно армованого перерізу в граничному стані. Вибраний у процесі ітераційних наближень параметр е<sub>b,max</sub> при екстремальному значенні функції можна вважати крайовою критичною деформацією е<sub>bu</sub>. Згинальний момент, що визначений в останній ітерації, при значенні деформацій е<sub>bu</sub>` можна вважати також критичним М_u. Порівнюючи отримані експериментальні значення з дослідними, можна сказати, що максимальна розбіжність граничних значень згинального моменту і прогинів сталезалізобетонних елементів складає близько 10 %, (табл. 2).

Таблиця 2

Результати оцінки міцності і жорсткості нормальних перерізів

Дослідні зразки	Згинальний момент, кН.м	Розбіжність, %	Прогин, см	Розбіжність, %
	Мексп.	Мтеор		fексп.	fтеор.
Б-1-1	32,71	30,80	-6,2	0,97	0,90	7,2
Б-1-2	45,80	44,58	-2,7	1,35	1,24	8,1
Б-1-3	50,04	53,79	6,9	1,48	1,37	7,4
Б-2-1	79,29	73,52	-7,8	1,35	1,25	7,4
Б-2-2	88,99	87,15	-2,1	1,43	1,42	0,7
Б-2-3	92,37	96,84	4,6	1,32	1,45	-9,8
Середнє арифметичне значення (Мт/Мек.) 0,990	(fт/fек) 0,965
Середнє квадратичне відхилення 0,053	0,065
Коефіцієнт варіації 0,053	0,067

Третій розділ У третьому розділі дисертаційної роботи детально розглядається програма експериментальних випробувань дослідних зразків. Наведені конструктивні схеми сталезалізобетонних балок, визначені фізико-механічні властивості досліджуємих матеріалів, розроблені методичні вказівки по проведенню експерименту. У експерименті задіяно 9 дослідних зразків. Їх поділено на 2 серії залежно від класу міцності бетону(табл. 3).

Таблиця 3

Характеристика експериментальних зразків

№ п/п	Серія	Марка	Поперечний переріз	Елемент підсилення	Тип з'єднання	Зона чистого згину, мм
1	С 20/25	Б-1-1		Без підсилення	-	800
2		Б-1-2		Пластина товщ. 3мм	Клей (епоксидний)	800
3		Б-1-3		Пластина товщ. 3мм	Клей (акрил.)	800
4	С 25/30	Б-2-1		Без підсилення	-	800
5		Б-2-2		Пластина товщ. 3мм	Клей (епоксидний)	800
6		Б-2-3		Пластина товщ. 3мм	Клей (акрил.)	800
7		Б-2-4		2-а кутика 40х40х3	Клей (акрил.)	800
8		Б-2-5		2-а кутика 40х40х3	Клей (епоксидний)	800
9		Б-2-6		Пластина товщ. 3мм	Клей (акрил. 1:1:3)	800

У кожній серії розглянуті окремо типи з'єднань елементів конструкції.

В залежності від сукупності багатьох чинників у кінцевому випадку можемо побачити різницю у міцності нормального перерізу та величини згинального моменту в балках у різних серіях натурних випробувань. Запроектовані декілька різних типів сталезалізобетонних балок, довжиною 2100 см, поперечним перерізом 100 х 200, з арматури періодичного профілю які використовуються у якості зразків під час проведення натурного експериментального випробування, рис.1. При виконанні експериментального дослідження був використаний гранітний щебінь фракцією 10-20 мм та кварцевий пісок з модулем крупності Мк =1,49 та портландцемент М500.

Випробування проходили на дію короткочасних навантажень в лабораторії кафедри Залізобетонних та кам'яних конструкцій та кафедри Опору матеріалів, у Полтавському національному технічному університеті ім.Ю.Кондратюка. Випробування проводились на пресі ПММ-250.

Обов'язково проводився ретельний огляд зразків, фіксувалося положення та напрям розташування тріщин в розтягнутій зоні бетону, ширину розкриття тріщин, відшарування листової сталі від бетону в нижній або бокових зонах перерізу.

Проводилося фотографування зразків на різних стадіях навантаження конструкції.

Проводилося три етапи випробовування кожного дослідного зразка.

Рис. 1. Схема завантаження для випробування на дію згинаючого
моменту та схема розміщення вимірювальних приладів
(Балка Б-1-2 (С20/25))

У процесі випробовування було досягнуто максимальне зусилля. Руйнівне навантаження приймалося таким, що дорівнювало досягнутому максимальному значенню зусилля. По отриманим результатам вимірювань деформацій досліджуваних зразків сталезалізобетонних балок були побудовані графіки,для кожного експериментального зразка, деякі з котрих зображені на рис.2.

а)

б)

в)

Рис. 2. Зразок Б 1-2 а) залежність відносних деформацій в
ід навантаження; б) розподіл відносних деформацій по висоті зразка;
в) розподіл напружень по висоті зразка

У дисертаційному дослідженні використовувалися два типи клейових з'єднань, два типи елементів підсилення,різні типи класів бетону за міцністю, подані різних схем і способів армування зразків - це все дозволяє ретельно вивчити деформативність та несучу здатність усіх типів досліджуваних зразків.

У четвертому розділі розглядається застосування обчислювальних комплексів для розрахунку сталезалізобетонних конструкцій з'єднаних за допомогою склеювання.

Для оцінки напружено-деформованого стану сталезалізобетонних конструкцій використовують різні математичні моделі та експериментальні дослідження на великомаштабних натурних моделях. Але проведення експериментальних досліджень на натурних моделях вимагає значних часових, людських та фізичних затрат. Тому проведення чисельних експериментів з математичними моделями на основі прикладних програмних комплексів стає все більш актуальним. Достовірність отриманих даних, в цьому випадку, залежить від правильного вибору моделі чисельного експеримента, яка за всіма параметрами відповідала б фізичній суті роботи натурної конструкції.

Для проведення чисельних досліджень сталезалізобетонних балок використовувався програмний комплекс «ЛІРА». Елементи балок моделювалися з урахуванням міцнісних властивостей бетону, арматури, сталевого прокату, із завданням геометричних параметрів.

Елементи конструкції розбиті на скінченні елементи таким чином, щоб більш точно моделювати напружено-деформований стан елементів досліджуваної конструкції, рис.3 та рис. 4.

Дослідження проводились для згинальних залізобетонних та сталезалізобетонних елементів прольотом 2,1 м, поперечним перерізом 100х200(h), з арматури періодичного профілю та різними класами бетону за міцністю - серія Б-І та Б-II .

Першим етапом чисельного моделювання був аналіз напружено-деформованого стану залізобетонної балки серії Б-І для загального уявлення про роботу конструкції. Балка завантажувалпся за схемою експериментального випробування зразка серії Б-І.

Рис. 3. Сталезалізобетонна балка серії Б-ІІ: розподіл переміщень
по осі Z у бетонному масиві

Наступним етапом є аналіз напружено деформованого стану залізобетонної балки серії Б-І із зовнішнім листовим армуванням та залізобетонної балки серії Б-ІІ із зовнішнім листовим армуванням, методом кінцевих елементів. Завантаження моделі приймаємо згідно експериментальних досліджень.

а)

б)

Рис.4. Розподіл напружень Nz у зразку Б-ІІ:

а) у зовнішньому армуванні; б) у бетоні

Проведені статичні розрахунки та чисельне моделювання дали результати, що відповідають характеру руйнування дослідних зразків під час експериментальних досліджень.

Результат порівняння деформацій в чисельному та фізичному експерименті свідчить, що з точністю до 10-15% деформації середніх частин елементів наскрізних конструкцій (в місцях розташування тензодатчиків) можна вважати пружніми практично на всіх стадіях завантаження.

При проектуванні залізобетонних конструкцій із зовнішнім листовим армуванням, що працюють на згин, необхідно враховувати отримані результати, передбачивши підсилення вузлів конструкції додатковим внутрішнім або зовнішнім армуванням.

У подальшому чисельному моделюванні досліджуваних конструкцій, що працюють на згин, необхідно врахувати факт утворення тріщин у вузлах.

Нелінійна деформаційна модель дозволяє із задовільною для практичнної мети точністю визначати міцність сталезалізобетоних елементів, а при деякому уточненні і деформаційні характеристики.

Нелінійна деформаційна модель дає добре співпадіння результатів з діючими будівельними нормами при дотриманні прийнятих в даних нормах передумов та дозволяє виконувати розрахунок практично будь-яких сталезалізобетонних елементів, при будь-якому вмісті арматури в перерізах та зовнішньому армуванні.

ВИСНОВКИ

Результати дисертаційного дослідження дають підстави для наступних узагальнюючих висновків:

1.Сутністю запропонованих конструкцій є використання листової та профільної сталі на стадії виготовлення в якості незнімної опалубки, після затвердінні бетону - в якості робочої арматури конструкції. Виготовлення таких конструкцій не залежить від розмірів типової опалубочної форми для залізобетонних конструкцій із стрижневою арматурою, тому розміри конструкції можуть варіюватися в залежності від потреб проекту. Застосування зовнішнього армування зменшує на 8-10% вагу конструкцій, заміняє використання багаторядного стрижневого армування, що, в свою чергу, спрощує укладання бетонної суміші в опалубку та зменшує трудовитрати виготовлення конструкції.

2.Експериментально досліджено несучу здатність та деформативність згинальних сталезалізобетонних конструкцій залежно від виду конструкції та способу завантаження. Запропонована методика випробування та прийняті вимірювальні прилади дозволяють отримати необхідні експериментальні дані по несучій здатності, деформаціях і характеру руйнування досліджуваних зразків. Використання різних схем і способів армування в даних зразках, а також використання бетонів різних класів за міцністю, різні типи клейових з'єднань та елементів підсилення, дозволяють вивчити їх вплив на несучу здатність і деформативність досліджуваних елементів.

3.Розрахунок раціональних сталезалізобетонних конструкцій покриття за деформаційним методом показує результати, близькі до експериментальних та чисельних досліджень, проведених раніше. Інженерна методика з використанням цих залежностей дає точність 11,4%. Для прийнятих в дослідженні меж відсотків армування від 8 до 16% збільшення несучої здатності лінійних елементів раціональних сталезалізобетонних конструкцій покриттяна дію згинального моменту за рахунок бетону відбувається в межах 30%.

4.Розроблено практичну методику розрахунку міцності досліджуваних сталезалізобетонних конструкцій. Інженерна методика з використанням залежностей дає точність 11,4%. Для інженерного визначення несучої здатності лінійних елементів з армуванням 8-16% створених раціональних сталезалізобетонних конструкцій пропонується використовувати розроблений алгоритм розрахунку.

5. Результати дисертаційної роботи були використані на реальних об'єктах та впроваджені в навчальний процес НАУ.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Публікації у наукових фахових виданнях України

1.Лапенко О.І. Дослідження клейового з'єднання при підсиленні будівельних конструкцій в закордонній практиці / О.І.Лапенко, П.С.Білокуров, А.І. Машкова*// Ресурсоекономні матеріали,конструкції, будівлі та споруди: зб. наук. праць. - Рівне : НУВГП, 2013.- Вип. 27. - С. 454-458.

2.Лапенко О.І. Розрахунок сталезалізобетонних конструкцій підсилених за допомогою епоксидних клеїв/ О.І.Лапенко, А.І.Машкова* // Галузеве машинобудування, будівництво: зб.наук.праць. - Полтава: ПНТУ, 2014. -Вип. 3(42), Т.2. - С. 83-86.

3.Лапенко О.І. Раціональні згинальні елементи зі сталевих елементів із заповненими бетоном порожнинами за допомогою склеювання /О.І.Лапенко, П.С.Білокуров, Г.І. Гришко, А.І. Машкова* // Будівельні матеріали, конструкції та споруди: зб.наук. праць. - Харків : УкрДАЗТ, 2014.- Вип. 150. - С. 98-104.

4. Лапенко О.І. Робота зігнутих елементів у сталезалізобетонних конструкціях, з'єднаних за допомогою склеювання/ О.І.Лапенко, А.І. Машкова *// Проблеми розвитку міського середовища: наук.-техн. збірник. - Київ: НАУ, 2014. - Вип.2(12). - С. 91-99.

5.МашковаА.І.*Дослідження сучасних клейових сумішей на основі епоксидних матеріалів, що використовуються в будівництві /А.І. Машкова *// Вісник Інженерної академії України: теоретичний і науково-практичний журнал Інженерної академії України. - Київ, 2016.- Вип.1 - С. 260-262.

Публікації у закордонних наукових періодичних виданнях

6. Kachan T. Еxperimental research of rc beams, strenthened by bonded and welded steel plate / T. Kachan, O. Gorb, P. Bilokurov, А. Мashkova *// Nauka i Studia, NR.- 2013.- №42 (110) . - Р. 75-79., Польща.

7. Kachan T. Experience of using adhesive bonding for strengthening of reinforced building structures in world practice / T. Kachan, O. Gorb, P. Bilokurov, А. Мashkova *//, Problems of Energy Saving and Nature Use 2013. - Budapest: University of Tuzla, 2014.- Р.57-63., Угорщина.

Публікації у збірниках праць за матеріалами конференцій

8.Лапенко О.І. Застосування епоксидного клею для забезпечення сумісної роботи сталі та бетону / О.І. Лапенко, А.І. Глушаниця // АВІА-2015: ХІI міжнародна науково-технічна конференція, 28-29 квітня 2015 р.: тези доп. - Київ, 2015 - С. 25.59-25.63

9. Глушаниця А.І. Підсилення залізобетонних балок шляхом кріплення металевих пластин та кутиків / А.І. Глушаниця // Архітектура та екологія: VII міжнар. наук.- прак. конф. 16-18 листопада 2015 р.: тези доп. - Київ, 2015. -
С. 57-59.

10.Глушаниця А. І. Опір зрізові клейового з'єднання у сталезалізобетонній балці. Зусилля зсуву/ А.І. Глушаниця // Міське середовище - ХХІ ст. Архітектура. Будівництво. Дизайн: IIміжнар. наук.- прак. конг. 15-18 березня 2016 р.: тези доп. - К., 2016. - С. 142-143.

АНОТАЦІЯ

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.01 «Будівельні конструкції, будівлі та споруди». Національний авіаційний університет. Київ, 2016.

Дисертація присвячена розробці методики визначення несучої здатності, міцності та деформативності згинальних сталезалізобетонних елементів, посилених зовнішнім сталевими армуванням, дослідженню впливу клейового з'єднання на міцність та напружено-деформований стан таких конструкцій при підсиленні та розробці рекомендації по розрахунку і проектуванню підсилення згинальних елементів на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень.

У дисертації виконано комплекс експериментальних та теоретичних досліджень із вивчення роботи згинальних сталезалізобетонних елементів, посилених шляхом наклеювання зовнішнього сталевого армування.

Проведено аналіз результатів теоретичних розрахунків із експериментальними даними, котрі свідчать про достатню точність запропонованої розрахункової методики та запропоновано класифікацію випадків НДС сталезалізобетонних балок, посилених зовнішнім сталевим армуванням розтягнутій зоні на основі аналізу їх перерізів та умов зчеплення їх компонентів.

Ключові слова: сталезалібетонні згинальні елементи, зовнішнє сталеве армування, клейове з'єднання, напружено-деформований стан, міцність.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и сооружения». Национальный авиационный университет. Киев, 2016.

Диссертация посвящена разработке методики определения несущей способности, прочности и деформативности изгибаемых сталежелезобетонных элементов, усиленных внешним стальными армированием, исследованию влияния клеевого соединения на прочность и напряженно-деформированное состояние таких конструкций при усилении и разработке рекомендации по расчету и проектированию усиления изгибаемых элементов на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

В диссертации выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований по изучению работы изгибаемых сталежелезобетонных элементов, усиленных путем приклеивания внешнего стального армирования.

Проведен анализ результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, который свидетельствует о достаточной точности предложенной расчетной методики и предложена классификация случаев НДС сталежелезобетонных балок, усиленных внешним стальным армированием в растянутой зоне на основе анализа их сечений и условий сцепления их компонентов.

Ключевые слова: сталежелезобетонные изгибаемые элементы, наружное стальное армирование, клеевое соединение, напряженное состояние, прочность.

Dissertation for scientific degree of Candidate in Technical Sciences, specialty 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Constructions. National Aviation University. Kyiv, 2016.

In the introduction of the urgency, the purpose and objectives of the research, scientific novelty, practical significance, testing results and the overall characteristics of the thesis.

The first section provides an overview and analysis of the works of foreign and domestic scientists, which addressed the issue of the causes and methods of strengthening of building structures. The advantages and disadvantages of existing methods of structural reinforcement. The evaluation of the state of stress of bent steel-concrete elements. The analysis found that at present are not developed methodology for calculating steel-concrete bent designs, reinforced outer steel reinforcement, which is based on the use of the full chart of material deformation and are used into account the features of the external reinforcement. Also, there are no experimental studies of bent steel-concrete elements under load, taking into account co-operation of the main and additional external steel reinforcement.

The main reason for the lack of these methods is the lack of experimental studies in which questions of studying the works of such complex structures have been fully reflected.

Most of the experimental studies were conducted for the concrete bent elements, which addressed the issue of strengthening the method of gluing the outer steel reinforcement. It is therefore necessary for research to assess the state of stress of bent steel-concrete elements, reinforced outer steel reinforcement when the load operation, as well as research method and material securing external reinforcement on the stress state of the structure.

The second section shows the methodological basis of calculation of strength and deformability of composite beams, reinforced by increasing the cross section in the tensile steel reinforcement zone.

In the third section the technique of experimental studies steel-concrete beams before and after amplification, by increasing the cross section in the tensile steel reinforcement zone. The geometrical dimensions of the samples were taken the length of 2100mm, width of 100mm, 200mm height. To perform experimental studies were designed and tested 9 samples.

All samples were divided into a series of amplification depending on the method and type of load. Experimental beams were tested for effect of the bending moment in two stages. In the first phase the samples were loaded before the onset of plastic deformation in the most loaded steel fibers. In the second stage, after amplification, the samples were loaded with the same sequence until complete breaking force.

The fourth section presents the results of experimental studies of reinforced composite beams. Based on these results, the strength properties were obtained, and the strain loaf steel and deflections of the samples before and after amplification.

The conclusions of the results of experimental and theoretical studies. The proposed methodology of calculation of steel-concrete beams reinforced with outer steel reinforcement can be practically used in the design of composite structures.

Keywords: composite steel beam, strengthening, adhesive-bonded joint, bearing capacity, deflection, external steel reinforcement.

Размещено на Allbest.ru

...