Попереднє напруження зовнішньої стрічкової арматури і напружено-деформований стан похилих перерізів сталебетонних балок з торцевими упорами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Попереднє напруження зовнішньої стрічкової арматури і напружено-деформований стан похилих перерізів сталебетонних балок з торцевими упорами

Фамуляк Ю.Є., к.т.н., доцент

Львівський державний аграрний університет, м. Дубляни

В процесі сприйняття сталебетонними конструкціями зовнішніх навантажень, суттєву роль відіграють потужні торцеві анкери, що впливають на формування напружено-деформованого стану бетону, поздовжньої і поперечної арматури, особливо в зоні дії поперечних сил.

Питання про використання стального листа в комплексі із залізобетонним елементом у будівельній практиці виникло тоді, коли необхідно було створити конструкції для будівель і споруд, які б виконували роль гідро- і газоізоляції. У той час товщина сталевого листа як елемента ізоляції приймалась конструктивно і не враховувалась при розрахунку несучої здатності конструкцій.

Уже наприкінці ХІХ ст. існувала думка, що металеві балки, сховані в бетон за конструктивними міркуваннями чи з метою збільшення вогнестійкості, мають підвищену міцність і жорсткість, а в 1923 р. це було підтверджено в Англії проведеними експериментальними дослідженнями. У 1929 р. Каугей і Скотт в Англії і в 1935 р. Фрейсине у Франції вперше запропонували використовувати об'єднувальні деталі для надійної сумісної роботи залізобетону і металу.

У залізобетонних елементах сумісна робота бетону та арматури, яка розміщена в масиві бетону, забезпечується силами зчеплення, що в основному залежить від клеючих властивостей цементного тіста, сил тертя і механічного зачеплення виступів арматури по поверхні контакту.

Щодо сталебетонних конструкцій, то найпростішими засобами для об'єднання залізобетону і листової сталі є жорсткі упори, тобто виступаючі деталі, які закріплені на сталевому елементі і працюють як шпонка. Стискаючі зусилля передаються на бетон безпосередньо через упорні поверхні, при цьому в бетоні мають місце деформації місцевого зминання.

Для вивчення впливу торцевих упорів на роботу попередньо напружених і звичайних сталебетонних балок, було розроблено та виготовлено 4 серії дослідних балкових зразків. Розрахунковий проліт дослідних балок - 1300 мм для І, ІІ і ІІІ серій та 2700 мм - для IV серії. Поперечний переріз всіх балок - 135х270 мм.

З метою вивчення впливу попереднього напруження на загальну роботу сталебетонних балок зразки серії І, ІІ та одна балка серії IV (Бн-IV-1) були попередньо напруженими. Початкове попереднє напруження для нижньої стрічкової робочої арматури складало = 315 МПа, що відповідає (0,65...0,66)R_y, для верхньої напруженої арматури = 486 МПа - відповідно (0,95...0,97)R_y. Такі напруження в арматурі призводили до обтиску бетону в межах = (0,48...0,51). Міцність бетону на час передачі напружень складала 18,5 МПа для балки Бн-IV-1 і 23,7...24,2 МПа для балок серії І та ІІ.

Загалом зміни, що виникають у напружено-деформованому стані попередньо напружених згинаних сталебетонних балкових елементів, можна поділити на два етапи. На першому етапі, коли проходить відпуск арматури, тобто в момент передачі зусиль попереднього напруження арматури на бетон, виникають деформації від дії короткочасного навантаження. Другий етап характерний тим, що в бетоні проходить довготривале деформування під дією зусиль попереднього напруження арматури.

Для експериментального дослідження деформації арматури з метою визначення втрат попереднього напруження на напружену арматуру були наклеєні тензодатчики. У процесі передачі зусиль попереднього натягу на бетон стискаючі деформації в нижній арматурі складали (58...70)Ч10^-5 відносних одиниць для балки без упорів (Бн-І-1) і (27...50)Ч10^-5 відносних одиниць для балок з торцевими упорами (Бн-І-2, Бн-І-3, Бн-І-4, балки серії ІІ, Бн-IV-1). Зміна потужності торцевого упора не справляла суттєвого впливу на втрати напружень в арматурі, а визначальною була лише його присутність у балці. Загалом на етапі передачі зусиль попереднього напруження в дослідних балках без упорів зміни деформацій у стрічковій арматурі у 2...3 рази перевищували зміни деформацій в аналогічних балках з торцевими упорами.

Попереднє напруження і наявність торцевого упора суттєво впливали і на деформації, а отже, й напруження, що виникають при навантаженні за висотою перерізу на плечі зрізу. Дану закономірність можна відслідкувати на прикладі двох балок з аналогічним армуванням (Бн-І-1 і Бн-І-2), які виготовлялись з однакового бетону, мали однакові плечі зрізу (с = 2,4h₀), поздовжнє і поперечне армування було аналогічним. Балка Бн-І-2 містила жорсткий торцевий упор, а в балці Бн-І-1 він був відсутній. Розподіли деформацій у перерізах і деформацій у поздовжній стрічковій арматурі вказані на рис. 1.

Рис. 1. Розподіл деформацій у перерізах балок Бн-І-1 і Бн-І-2.

сталебетонний торцевий анкер арматура

Деформації у бетоні та арматурі на початкових стадіях завантаження (при F<F_crc) були приблизно однаковими, відхилення становили не більше 2...5%. Максимальні деформації у бетоні лежали в межах (20...28)Ч10^-5 відносних одиниць, а в стрічковій арматурі - (20...27)Ч10^-5 відносних одиниць. При зростанні навантаження і появі тріщин (при F_crc< F < 0,7F_u) деформації у бетоні почали інтенсивніше зростати у балці без торцевого упора (Бн-І-1) і становили (43...127)Ч10^-5 відносних одиниць, що на 7...12% більше, ніж для балки з упором (Бн-І-2).

Суттєво відрізнялась картина деформацій для арматури. Так, для балки без упора (Бн-І-1) біля опори спостерігався ще один пік деформацій, які за довжиною плеча зрізу зменшувались і знову зростали під силою. Максимальні деформації при 0,7F_u складали 14310^-5 відносні одиниці. На відміну, у балці з упором (Бн-І-2) максимальні деформації в арматурі виникали під силою і становили при 0,7F_u 11710^-5 відносних одиниць, що на 21% менше. Біля опори деформації були незначними і складали максимум 2610^-5 відносних одиниць при навантаженні, близькому до F_u. За довжиною плеча зрізу деформації були приблизно однакові як для балки з упором, так і для балки без упора. Відхилення складало не більше 15...18%.

Подібну картину можна було спостерігати і в інших попередньо напружених балках, які мали торцеві упори. Потужність упора особливого впливу не справляла. Максимальні деформації у бетоні (при 0,7F_u) складали (57...122)Ч10^-5 відносні одиниці. Аналогічно, для стрічкової арматури максимальні деформації при такому навантаженні - (69...117)Ч10^-5 відносних одиниць.

При навантаженнях, близьких і більших за 0,7F_u, що є близькими до умов експлуатації конструкції, наявність жорсткого торцевого упора справляє суттєвий вплив на конструкції із зовнішнім стрічковим армуванням. Отже, вони будуть надійнішими в роботі, бо деформації, а разом з тим і напруження в перерізах, будуть значно меншими, ніж для сталебетонних конструкцій, які не мають торцевих упорів. Таке зменшення напружень у перерізах балок, особливо в приопорній частині, частково можна пояснити відомим ефектом обойми, який створює присутній жорсткий торцевий упор.

Різні схеми армування та схеми завантаження дослідних балок, що використовувалися при дослідженнях, дозволили оцінити вплив торцевих упорів у різних умовах роботи.

Розглянемо такі пари балок, де було однакове армування, але змінювалося чи плече зрізу, чи тип стрічкової арматури, чи наявність поперечної арматури, чи потужність торцевого упора.

Щоб оцінити напружено-деформований стан балок при зміні плеча зрізу розглянемо пари балок Бн-І-3 і Бн-ІІ-3 та Бн-I-4 і Бн-ІІ-4 (рис. 2, 3), в яких при однаковій потужності торцевого упора (з розрахунку половини міцності стрічкової арматури для першої пари балок і повної міцності - для другої) і однаковому армуванні змінювалися плечі зрізу. Для балок Бн-І-3 та Бн-І-4 воно складало 1,5h₀, а для балок Бн-ІІ-3 та Бн-ІІ-4 - 1,1h₀.

Для першої пари балок при навантаженнях аж до зусилля F = 0,7F_u деформації в стрічковій арматурі були приблизно однаковими і відхилення складало 5...15%. Відмінною булла картина для бетону: у балці з плечем зрізу 1,5h₀ (Бн-І-3) розвивалися лише деформації стиску і при даному рівні навантаження складали 12210^-5 відносні одиниці. У балці з плечем зрізу 1,1h₀ (Бн-ІІ-3) під силою у верхній частині перерізу інтенсивно розвивалися деформації розтягу і при F = 0,7F_u такі деформації складали 25510^-5 відносних одиниць.

Це свідчить про те, що наявність торцевого упора з розрахунку половини міцності стрічкової арматури призводить до виникнення деформацій розтягу у бетоні при зменшенні плеча зрізу, що є менш сприятливим для роботи конструкції.

Рис. 2. Розподіл деформацій у перерізах балок Бн-І-3 і Бн-ІІ-3.

Збільшення потужності торцевого упора дещо змінило картину деформацій у балці на плечі зрізу (рис. 4). Так, у балці з плечем зрізу 1,1h₀ (Бн-ІІ-4) у верхній частині перерізу розвивалися лише деформації стиску і при F = 0,7F_u вони складали 8810^-5 відносних одиниць. Для балки з плечем зрізу 1,5h₀ (Бн-І-4) при такому самому завантаженні деформації складали 9410^-5 відносні одиниці, що є приблизно однаковим з балкою Бн-ІІ-4.

У стрічковій арматурі деформації також були приблизно однаковими, відхилення складало не більше 15%. З цього робимо висновок, що збільшення потужності жорсткого торцевого упора понад половину міцності стрічкової арматури не призводить до значних відмінностей у роботі сталебетонних конструкцій при зміні плеча зрізу від 1,1h₀ до 1,5h₀. Позитивний вплив на роботу бетону справляє збільшення потужності торцевого упора лише для випадку меншого плеча зрізу (при с = 1,1h₀).

Рис. 3. Розподіл деформацій у перерізах балок Бн-І-4 і Бн-ІІ-4.

Конструкції дослідних балок дозволили розглянути напружено-деформований стан у балках при зміні не лише плеча зрізу, але й інших чинників. Розглянемо балки Бн-І-4 та Бн-ІІ-2, які мали однакове плече зрізу. Арматура була гладкою, а в балці Бн-ІІ-2 - рифленою періодичного профілю. Армування та потужність торцевого упора - аналогічні. Як бачимо з рис. 4, деформації в перерізах балок суттєво відрізнялися між собою. При армуванні гладкою стрічковою арматурою (Бн-І-4) у верхній частині перерізу виникали лише деформації стиску і при F = 0,7F_u вони складали 9410^-5 відносні одиниці. У балці зі стрічковою арматурою періодичного профілю (Бн-ІІ-2) в місці прикладання зовнішнього навантаження, біля верхньої грані перерізу, розвивалися деформації розтягу і складали 17810^-5 відносних одиниць. У стрічковій арматурі розподіл деформацій також суттєво відрізнявся.

Рис. 4. Розподіл деформацій у перерізах балок Бн-І-4 і Бн-ІІ-2.

Для балки Бн-ІІ-2 піки деформацій спостерігалися приблизно натретині плеча зрізу від опори та під силою і складали 21610^-5 та 13510^-5 відносних одиниць відповідно. У балці з гладкою стрічковою арматурою максимальні деформації виникали під силою і складали 10010^-5 відносних одиниць. На основі проведеного аналізу розвитку деформацій у таких дослідних зразках можна припустити, що при незначних плечах зрізу наявність торцевого упора позитивно впливає на роботу балок і дозволяє стрічкову арматуру періодичного профілю замінити на гладку, яка є простішою з точки зору виготовлення.

Цікава картина розвитку деформацій спостерігалася також у випадку відмінності поперечного армування у дослідних зразках Бн-І-4 та Бн-ІІ-1 (рис. 5).

Балки Бн-І-4 та Бн-ІІ-1 досліджувались з однаковим плечем зрізу (c = 1,5h₀), мали однакові торцеві упори, але в балці в Бн-ІІ-1 була відсутня поперечна арматура.

Рис. 5. Розподіл деформацій у перерізах балок Бн-І-4 і Бн-ІІ-1.

Для даного випадку розподіл деформацій у бетоні при навантаженні,близькому до 0,5F_u, був приблизно однаковим, тобто вони плавно зростали за довжиною плеча зрізу від опори до перерізу, в якому було прикладене зовнішнє навантаження. Відхилення складало лише 7...12%. Однак приріст деформацій у стрічковій арматурі для балок з поперечною арматурою (Бн-І-4) відбувався інтенсивніше і при 0,5F_u складав 6810^-5 відносних одиниць. Для балки без поперечної арматури (Бн-ІІ-1) максимальні деформації становили лише 3110^-5 відносну одиницю. При збільшенні навантаження розподіл деформацій у стрічковій арматурі відбувався аналогічно, як і при нижчих рівнях, але максимальні деформації у бетоні у верхній частині перерізу в балці без поперечної арматури (Бн-ІІ-1) почали наближатись до критичних, на відміну від балки Бн-І-4, де деформації складали лише 9410^-5 відносні одиниці. Дане явище можна пояснити тим, що в роботу почала активно залучатись поперечна арматура, яка у балці Бн-ІІ-1 була відсутня і відповідно перерізуюча сила сприймалась лише бетонною частиною перерізу. При подальшому зростанні навантаження у балці без поперечної арматури спостерігалось миттєве крихке руйнування. Наявність торцевого упора дозволяє забезпечити міцність похилих перерізів сталебетонних балок при навантаженнях, що не перевищують 0,5F_u при незначних плечах зрізу, навіть за відсутності поперечного армування.

Висновки:

На основі проведеного аналізу результатів експериментальних досліджень роботи сталебетонних балок можна зробити наступні висновки:

1. У попередньо напружених сталебетонних елементах потужність наявного жорсткого торцевого упора не справляє значного впливу на втрати напружень в арматурі, визначальною була лише його присутність. Загалом на етапі передачі зусиль попереднього напруження в дослідних балках без упорів зміни деформацій у стрічковій арматурі у 2...3 рази перевищували зміни деформацій в аналогічних балках з торцевими упорами.

2. Деформації у бетоні та арматурі на початкових стадіях завантаження (при F<F_crc) були приблизно однаковими, відхилення становили не більше 2...5%. При зростанні навантаження і появі тріщин деформації у бетоні почали інтенсивніше зростати у балці без торцевого упора.

3. При навантаженнях, близьких і більших за 0,7F_u, що є близькими до умов експлуатації конструкції, наявність жорсткого торцевого упора справляє суттєвий вплив на конструкції із зовнішнім стрічковим армуванням.

4. збільшення потужності жорсткого торцевого упора понад половину міцності стрічкової арматури не призводить до значних відмінностей у роботі сталебетонних конструкцій при зміні плеча зрізу від 1,1h₀ до 1,5h₀. Позитивний вплив на роботу бетону справляє збільшення потужності торцевого упора лише для випадку меншого плеча зрізу (при с = 1,1h₀).

5. Наявність торцевого упора дозволяє забезпечити міцність похилих перерізів сталебетонних балок при навантаженнях, що не перевищують 0,5F_u при незначних плечах зрізу, навіть за відсутності поперечного армування.

Література

1. Клименко Ф.Е. Сталебетонные конструкции с внешним полосовым армированием. -Киев: Будівельник, 1984. - 88 с.

2. Клименко Ф.Є., Барабаш В.М., Стороженко Л.І. Металеві конструкції. - Львів: Світ, 2002. - 311 с.

3. Клименко Ф.Є., Барабаш В.М., Фамуляк Ю.Є. Сталебетонні конструкції з жорсткими торцевими анкерами // Будівництво України. - 2003. - № 5. - С. 23 - 28.

4. Фамуляк Ю.Є. Вплив торцевих анкерів сталебетонних балок на міцність та деформативність похилих перерізів: Дис....к.т.н.: 05.23.01. - Львів, 2004. - 191 с.

5. Фамуляк Ю.Є., Клименко Ф.Є., Барабаш В.М. Міцність сталебетонних балок з торцевими анкерами в зоні дії поперечних сил. - Львів, 2006. - 117 с.

Размещено на Allbest.ru