автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние центрально сжатых элементов из стальных труб квадратного сечения, заполненных бетоном

^.ПОЛТАВСЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ї. З '

На правах рукопису

ГОЛОВКО ГЕНАДІЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН ЦЕНТРАЛЬНО СТИСНУТИХ ЕЛЕМЕНТІВ ІЗ СТАЛЕВИХ ТРУБ КВАДРАТНОГО ПЕРЕРІЗУ, ЗАПОВНЕНИХ БЕТОНОМ

05.23.01 - бущвєльш конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук

Полтава - 1996

Дисертацією є рукопис. .

Праця виконана нд кафедрі конструкцій із металу, дерева та пластмас Полтавського технічного університету'.

Науковий керівник доктор технічних наук, ‘

• професор Стороженко Л.І.

Офіційні опоненти

Ведуча організація

Захист дисертації відбудеться 24 грудня 1996 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради Д-25-01-02 по спеціальності "Будівельні конструкції, будівлі та споруди" при Полтавському технічному університеті за адресою:

• 314601, м. Полтава, Першотравяевий проспект, 24, ауд. 234

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету. Відгуки на автореферат просиш/ надсилати на ім’я вченого секретаря у двох примірниках, завірених печаткою.

Автореферат розіслано 22 листопада 1996 р.

Вчений секретар . спеціалізованої ради кандвдхг технічних наук, доцент

доктор технічних наук,

професор Бабич Є.М.

кандидат технічних наук, доцент Шкурупій О.А.

Державний науково - дослідний інститут будівельних конструкцій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ПРАЦІ

Актуальність роботи. Сучасний рівень будівництва вимагає від несучих конструкції) більш високої надійності в поєднанні з меншою матеріаломісткістью і меншими працезатратами при віїготовлеи ні та монтажі. Цим вимогам в повній мірі відповідають конструкції із трубобетону.

Зараз в будівництві на Україні і особливо за кордоном широке застосування здобувають трубобетонні конструкції. Прп їх використанні стальна арштура у вигляді замкнутих профілів стає зовнішньою. У більшості внпадхів, осбливо в стиснутих елементах з малими ексцентриситетами прикладення навантаження, вона працює ефективніше, ніж стержнева. • При спорудженні трубобетонних конструкцій є можливість використати індустріальні методи виробництва безпосередньо на будівельному майданчику. Конструкції із трубобетону найчастіше використовують в основному у вигляді колон.

. При відносно малому поперечному перерізі трубобетонні конструкції порівняно з залізобетонними мають ряд переваг і за рахунок раціонального сполучення бетону і сталі при їх сумісній робг'-'і здатні витримувати значні зусилля. Труба-оболонка таких конструкцій виконує одночасно функції як поздовжнього, так і поперечного армування, а бетон за рахунок об’ємного напруженого стану сприймає поздовжні напруження, що значно перевищують йото прлзмову міцність. Пе дозволяє інтенсивніше використовувати міцнісні властивості метеріалів і приводить до суттєвої економії бетону.

На данин час досліджена робота трубобетону кільцевого перерізу як несучих конструкцій, що працюють на стиск і згин. Однак робота трубобетонних елементів квадратного перерізу е

мало дослідженою, хеч промисловістю вони випускаються для потреб будівництва в досить широкому діапазоні. Відсутність рекомендацій по розрахунку і проектуванню трубобетонних конструкцій, виготовлених із сталевих труто квадратного перерізу, б значній мірі стримує їх широке використання в будівництві. Таким чином задача про дослідження трубобетонних конструкцій, виготовлених із сталевих труб квадратного перерізу, є дуже важливою та актуальною.

Мсти праці: '

- експериментально дослідити особливості роботи піп навантаженням та характер втрати несучої здатності трубобетонних зразків, виготовлених із сталевих труб квадратного перерізу і заповнених бетоном, в залежності від, висоти зразка., розмірів поперечного перерізу, товщини стінок та класу бетону по міцності;

- розробити метод оцінки напружено-деформованого стану трубобетонних елементів квадратного перерізу лрн центральному стиску та скласти проіраму обчислень переміщень, деформацій та напружень за допомогою ПЕОМ;

- розробити методику’ розрахунку несучих конструкцій із сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном, скласти рекомендації по їх проектуванню.

Автор захтцвє:

- метод оцінки напружено-деформованого стану та несучої

здатності з врахуванням гнучкості центрально стиснутих трубобетонних «лементів, виготовлених із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу; .

- результати експериментальних досліджень несучої здатності та деформацій трубобетонних елементів, виготовлених із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу;

- розроблені рекомендації по проектуванню несучих конструкцій із трубобегояких елементів, вишгозлезил. із гонкостшпнх сталевих груб квадратного перерізу.

Науховз позтпа роботи:

- розроблений метод розрахунку несучої здатності з врахуванням гнучкості центрально стиснутих трубобетонних елементів, шіготовлсяих із тонкостіннім сталез и>. труо квадратного перерізу;

- запропонований ліетод оцінки напружсно-деформованого стану центрально спіснугах трубобетонних елементів квадратного перерізу;

- одержані нові відомості про работу під навантаженням

центрально стиснутих трубобетонних елементів, виготовлених із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу з різними класами бетону, різними висотами, поперечними перерізами та товщинами стінка труби в результаті їх експеримегггат ь н их досліджень. І

Практичне значення роботи:

- за результатами роботи доведена доцільність використання

в будівництві в якості несучих конструкцій трубобетонних елементів, виготовлених із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу; ®. .

■ - розроблений метод розрахунку несучої, здатності таких

конструкцій з врахуванням гнучкості; ‘

- на основі одержаних залежностей складений алгоритм і програма для оцінки яапружено-деформованого стану центрально стиснутих трубобетонних елементів, виготовлених із тонкостінних, сталевих труб квадратного перерізу на ПЕОМ;

- розроблений метод розрахунку несучої здатності за допомогою готових таблиць;

- розроблені рекомендації по проектуванню несучих конструкцій, виготовлених із тонкостінних сталевих труо квадратного перерізу, заповнених бетоном.

Реалізація роботи. Результати досліджень використані при розроблені рекомендацій по проектуванню несучих конструкцій, виготовлених із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном. .

Пубдіхації. Основний зміст дисертаційної роботи опублікований в 12 друкованих роботах.

Апробація роботи. Основні положення' дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на наукових семінарах кафедри, вузівських, республіканських і міжнародних науково-технічних конференціях у м. Полтава (1993 -,1996 p.p.), м. Кривий Ріг (1996р.), м. Макіївка (1996р.), м. Рівне (1996р.), м. Львів (1996р.), м. Київ (1996р.), м. Крініца (Польща, 1996р).

. Обсяг вжковавої роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти глав, загальних висновків, списку літератури із 171 найменувань і’ додатку. Робота викладена на 187 стор., що включають до свого складу 120 стор. основного тексту, 64 малюнка і 11 таблиць.

* Дисертаційна робота виконана на кафедрі конструкцій ід металу, дерева та пластмас Полтавського технічного університету під керівництвом доктора техн. наук, професора Стороженка Л.І. КОРОТКИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовується необхідність теоретичних та експериментальних досліджень центрально стиснутих елементів із тонкостінних сталевих труб квадратного перерізу, заповнених Зетоном, актуальність, наукова новизна та практичне значення росоти.

В партій rjisvi проведено аналіз конструкцій - із грубобетоігу і методів їх розрахунку. Відзначені переваги та недоліки ' трубобетону. Зроблено аналіз праць, присвячених дослідженню конструкцій з іншими видами побічного армування, і праць, що уаракгеризуготь роботу трубобетошіих елементів, виготовлених із сталевих труб кільцевого та прямокутного перерізу як в нашій країні, так і за кордоном.

На даний час відомі роботи, присвячені дослідженню особливостей папружеио-дефор кованого стану трубобетонппх конструкцій при різпих способах навантаження О.М. Алперіпої,

1.Д. Бондаренко, ТО.В. Бондаренко, Г.А. Гамбзрова, О.О. Гвоздєза,

O.A. Додженка, М.Г. Добудогдо, В.ї. Єфімеако, М.М. Жербіна, А.Б. Квздараса, В.М. КеСсика, 0.1. Кітана, К. Клепеля, Ю. Козака, С.Г. Кусябкиїїьна, А.Ф. Ліпатош, Л.К. Лутшїі, O.E. Лопатто, Б.І. М*!ракупд. В.Ф. Мареніта, 1. Мітахі, І.Г. Лтояковст.геого, Г.П. Пере/іеріа, 3.0. Псриякока, ЕА. РосновсьтсЬго, P.C. Санлпровтакого, М.Ф. Скзсрцога, Л.І. €торог<еют, В М. Сурдііг/5, IX А. Трулжт,. С:0. Ягртени», 8.М. Фон»!«, ЇЇ.Д. Т?ЙЛГ;!)ДЄ, О.Л. Піяпла. І.С. Ярового, та глшпх. Заироітот?от!глгі nmm Т£‘ср!.гггяпо-екси?рпігсш:*п.пі залестосгі ДСЗВОИЯ!ОТЬ «П.Т-гдокуВЗГПї ТруооГї'ТїСТІГТІ елементи при статичному ПШІЯТ.'П'ГиР-ПІ. ■ - ■

Г1ілсігізиітеісгі> Twpir., шс розкривають особливості роботи трубобетону під нашкт.еякям* кожна пояснити тип. пш трубобегон. на ьшміку і:ц: елс.мептіз, армованих іншими Екдг*.:;; арматуои, не має яскраво ізіхрзженого моменту руйнунанн;;.

ііа основі проведеного аналізу досліджень роботи трубобетону зроблепо висновок, що на даний час залишається мало досліджуваною роботз грубобетоянпх елементів, виготовлених із тонкостіанЕХ сталевих труб квадратною перерізу.

Зроблено огляд праць, в яких досліджувалась робота трубобетонних елементів із сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном: О.М. Гайдук, М. Грауерса, Занг Занг-Гуо, Зуо Мівг-Шенга, Л.І. Стороженка, Е.Д. Чіхладзе та інших. Проаналізувавши методи розрахунку та рекомендації щодо доцільності використання трубобетонних конструкцій квадратного перерізу було зроблено висновок, що існуюча методика СНиП 2-01.03.S4’*' не дозволяє врахувати всіх факторів, які характеризують роботу трубобетону.. На підставі огляду формулюються задачі дослідження роботи трубобетонних елементів із сталевих труб квадратного перерізу при центральному стиску: ' '

1) експериментально дослідити особливості роботи під навантаженням та характер втрати несучої здатності трубобетонних зразків, виготовлених із сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном, в залежності від висоти зразка, розмірів поперечного перерву, тошцшіи стінок та класу бетону по міцності;

2) розробити методику оцінки напружено-деформованого стану трубобетонних елементів квадратного переріз}' при вентральному стиску та скласти програму обчислень переміщень, деформацій та напружень за допомогою ПЕОМ; -

3) розробити методику розрахунку несучих конструкцій із сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном, скласти

' • рекомендації по їх проектуванню. '

Друга глава лриовячена методиці проведення експерименту і дослідженню фізико-механічних властивостей прийнятих до виготовлення матеріалів.. .

Для всебічного вивчення роботи трубобетонних елеменів, виготовлених із сталевих труб квадратного перерізу, була складена

програма експерименту, яка наведена в таблиці. Програма була складена таким тином, щоб дослідити роботу трубобетонкнх елеменів в залежності від фізнко-механічних властивостей використаних матеріалів, геометричних характеристик перерізу, висоти і схем передачі навантаження на елемент, а також порівняти особливості роботи і несучу здатність з зразками, виготовленими із бетону, залізобетону та порожніх 'іруб.

Для оцінки впливу масштабного фактору на напружсно-дєформованпй стан досліджувались зразки із труб перерізом 10П> 100, 160x160 і 180x180 ям з товщиною стінки відповідно 3, 4, 6 мм.

Згідно плану експерименти були виготовлені дослідні зразки із трубобетону з різними класами бетону по міцності (ТБ-1-1, ТБ-1-2, ТБ-2-1, ТБ-2-2, ТБ-3-1, ТБ-3-2); з різкими способами передачі навантаження (ТБ-3-2 -на комплексний переріз, ТБО-3-2 -на обійму, ТБЯ-3-2 -на бетонне ядро); з різними висотзми елементів(ГТБ-2-1-1, ГТБ-2-1-2, ГТБ-2-1-3).

Дослідні зразки виготовлялися із гаутознарних труб квадратного перерізу (мал 1). Бетонування проводилось в промислових умовах.. . •

Для контролю фізико-механічних властивостей бетону одночасно з виготовленням дослідних зразків виготовлялись бетонні призми і куби.^Дослідження зразків проводилось па пресі ПММ - 500. Зразки досліджувались при досягненні проектної міцності бетону, але не раніше ніж через 28 діб після бетонування. Випробування трубобетонних зразків проводилось при вісьовіц дії навантаження. Завантаження здійснювалось ступенями, що дорівнювали 0.1 - 0.05 від граничного навантаження. На всіх ступенях навантаження вимірювались поздовжні і поперечні деформації трубобетонних зразків за допомогою елекгротензорезисторів типу ПКБ 50 - 100. '

Таблиця

Програма експернмеитальиих досліджень та несуча здатність дослідних зразків

Серія Висо- та, ми Переріз t мм мПа кН ■ кН V я т п 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Б-1-1 400 94x94 8.8 - 80 - - - -

Б-1-2 400 94x94 19.6 - 166 - - - - -

Б-2-l 640 152x152 8.8 • - 190 - - - - -

Б-2-2 640 152x152 19.6 - . 355 . - - - - -

Б-3-1 720 178x178 8.8 - 248 - - • - - -

Б-3-2 720 178x178 , 19.6 - 505 - - - - - ■

ЖБ-1-1 400 100x100 8.8 - 168 - - - - -

ЖБ-1-2 400 100x100 19.6 302 -■ - - - -

ЖБ-2-1 640 160x160 8.8 356 -■ - - - -

ЖБ-2-2 640 160x160 19.6 - 561 - - - - -

ЖБ-3-1 720 180x180 8.8 - 518 - - - - -

ЖБ-Э-2 720 180x180 19.6 - 983 - - - - -

Продовження таблиці

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Т-1 400 100x100x3 - - 425 _ _ - _ _

Т-2 640 160x160x4 - _ 625 •

т-з 720 ,180x180x6 - . - 1055 _ _

ГГ-2-0-1 640 160x160x4 - - 625 _ _ _ _ 1.00

ІТ-2-0-2 1000 160x160x4 - - 540 - _ _ 0.84

ГТ-2-0-3 3000 160x160x4 - - 460, - 0.71

ТБ-1-1 400 100x100x3 8.8 520 623 0.83 1.47 1.23 2.54 _

ТБ-1-2 400 100x100x3 19.6 • 620 717 0.86 1.69 1.21 1.67 -

ТБ-2-1 640 160x160x4 8.8 1000 1207 0.83 1.93 1.48 2.86 -

ТБ-2-2 640 160x160x4 19.6 1200 1300 0.92 2.08 1.33 1.62 -

ТБ-3-1 720 180x180x6 8.8 1300 .1730 0.76 1.64 1.34 2.43 -

ТБ-3-2 720 180x180x6 19.6 1700 1970 0.86 1.87 1.36 2.47 _

ТБО-3-2 720 180x180x6 19.6 1055 1800 0.58 1.71 1.15 1.20 * -

ТБЯ-3-2 720 180x180x6 19.6 1900 2060 0.91 1.92 1.32 2.52 _

ГТБ-2-1-1 640 160x160x4 8.8 1000 1207 0.83 1.93 1.48 2.86 _

ГГБ-2-1-2 1000 160x160x4 8.8 600 850 0.71' 1.57 1.38 0.72

ГТБ-2-1-3 3000 160x160x4 8.8 490 710 0.69 1.54 - 1.23 .0.59

у А//' 7~У-7> / А// ^

^ їм &

юс

/-/

{-1

Мал. 1. Конструкції дослідних, зразків

Схема розміщення слектротензорезистсрів передбачала дослідження деформатппніїх характеристик а одному, середньо^ по висоті елемента, перерізі. В перерізі було наклеєно по 2-'-електрогензорезнстора а повздовжньому та поперечне^ азпрямхах. Дія дублювання вимірів поздоинніх деформацій установлювались індикатори годинникового тішу з піною полілкп

0.01 мм.

Для контролю фізико-механічних властивостей бетону одночасно з виготовленням дослідних зразків виготовлялись бетонні призми і куби. Зразки досліджувались при досягненні проектної міцності бетону, але не раніше ніж через 28 дій після бетонування.

Третя птава дисертаційної роботи приезячена аналізу результатів експериментальних досліджень центрально стиснутих трубобетонних елементів із сталевих труб квадратного перерізу.

При проведенні експерименту фіксувалось два стани в раті граничного по несучій здатності.

1. Досягнення значень поздовжніх • деформацій, відповідаючих межі плинності сталі (А^).

2. Досягнення зразком тахого стану, коли практично по всьому перерізу зразка сталь і бетон знаходяться в стані плинності і елемент деформується без приросту .діючого на нього навантаження (Лу. Цей стан практично відповідає повному зруйнуванню зразка.

В таблиці для всіх випробуваних трубобетонних зразків наведені значення граничного стану по несучій здатності, які відповідають пунктам "І" і "2" (значення ЛГ, і Лг2).

Коефіцієнт що характеризує співвідношення між зусиллями ¿V. і М2, вираховувався за формулою

Досить велика різниця між N: и iV2 свідчить про високу .надійність елементів, виготошшеяих із сталевих труб квадратного перерізу, заповнених бетоном. Із таблиці видно, що коефіцієнт

• змінювався в межах 0.69 - 0.92 при навантаженні на комплексний переріз. Для зразків з прикладенням навантаження тільки на обійму - ц;=ч).58, для зразків з прикладенням навантаження тільки на ядро - ф=0.91.

Відомо, що в стиснутих трубобетонних елементах стальна труба перешкоджає розвитку тріщин відриву в бетоні, завдяки чому в ядрі виникає об’ємний напружений стан, .Оцінює ефективність роботи бетонного ядра з урахуванням об’ємного напруженого стану коефіцієнт

де <ть - напруження в бетоні при досягненні зразком граничного стану по несучій здатності. .

В усіх випадках значення коефіцієнта ті були більші одиниці і досягали величини 1.62-2.86, що доводить, що в граничному стані напруження в бетоні значно перевищують призмову міцность.

Коефіцієнт ефективності елемента в цілому

' N. г*.

• • ' ^N. + ïC

де Na, - несуча здатність трубобегонного елементу;

Nb, N, - несучая здатність бетонного ядра та сталевої труби, випробуваних роздільно. .

Коефіцієнти ефективності т трубобетонних зразків в усіх випадках були більшими за одиницю (L.L5 - 1.48), що свідчить про їх високу ефективність.

Було вирахувано коефіцієнт '

З таблиці виходить, що коефіцієнт п був з межах від 1.47 ГБ-1-1) до 2.08 (ТБ-2-2). Таким чином заповнювати труси гтоном в усіх випадках вигідно.

За експериментальне значення коефіцієнта, що враховує цупкість, прийнято

_

(р“ N.

де: М* - несуча здатність короткого зразка,

¿V, - несуча здатність гнучкого зразка. _

Значення фггс наведені в таблиці.

Досить надішпши і ефективними виявитись трубобетонні разки, де навантаження передається тільки на бетон через штамп. Іайменше навантаження витримали зразки, де навантаження ередавалось тільки на сталеву обойму. Це дає змоіу зробити исновок про доцільність передачі навантаження тільки на :омплексний переріз або тільки на бетон.

При аналізі експериментальних даних було виявлено, що рубобетонні елементи витримують назантаження в 2-2.5 рази і'їльші ніж зразки з залізобетону, -в 1.5 - 1.9 рази більші ніж разки з порожніх труб. Характер розвитку поздовжніх деформацій ; залежіссті від навантаження трубобетоішнх, залізобетонних, іетонних зразків та зразків, виконаних з порожніх труб, ображений на мал.2. Під час експериментальних досліджень було іиявлено, що поперечні та повздовжні деформації з ростом іавантазсення розвиваються нелінійно, що пояснюється )Собл:івостями деформування бетону в трубі. Поперечні [еформапії з початку навантаження розвивались в незначній мірі, і з наближенням до граничного стану інтенсивно зростали.

А, кЦ 600

'500

■ АОО

S00

200

100

о . . . _________

50 <00 150 ZOO ISO 300 3SO коо С * 10s

Мал. 2. Залежність поздовжніх деформації від навантаження

Для всіх зразків об'єм бетону на початку досліду зменшувався, а наприкінці збільшувався так, що перевищував первісний. Граничний стан трубобетону при центральному стиску, відповідний початку плинності сталі в повздовжньому напрямку, Приблизно співпадав з початком збільшенням об'єму, що свідчить про появу значних деформацій, пов'язаних з процесом появи тріщин. Розподіл повздовжніх та поперечних деформацій від навантаження в одному з зразків наведений на мал. З, 4.

За граничний стан по несучій здатності в центрально стиснутих елементах, виконаних з тонкостінних сталевих труб кгодратного перерізу, заповненнях бетоном, треба приймати такий стан, кати досягаються поздовжні деформації, відповідні початку плинності сталі.

• ТБ-И

У*"*

+• / • ** Т-1

¿i г

//

/ у У у «Б-И

^— — 5-1 -1

50 іОО 150 200 ISO ЪОО 3SO коо С

Мал. 3. Розподіл поперечних деформацій від навантаження в зразках серії ТБ-2-2.

Мал. 4. Розподіл поздовжніх деформацій від навантаження в зразках серії ТБ-2-2.

В четвертій главі розглянуто напружено-деформований стан трубобетонних елементів квадратного перерізу, а такохс методику розрахункунесучої здатності при центральному стиску.

В процесі експлуатації центрально стиснутих трубобетонних елементів можуть виникати умови., за яких конструкція працюс як з пружній, так і в пластичній сталії.

Прийнято бетонне ядро 1 з розмірами 2Ьх2Ьх], що

заключено в сталеву оболонку 2 тих же розмірів з товщиною

стінки І, які склеєні міх. собою. Відомі і', - модулі

пружності та коефіцієнти Пуассона ядра та оболонки. Граничні уыовы, встановлені на границях розділу та закони зміни Е^Ег, г;, к вважаються відомими. Прийнято., шо зовнішні об'ємні сили відсутнії бокова поверхня складеного бруса вільна від зовнішніх навантажень, а до його основ прикладені задані, задовольняючі

умовам рівноваги, сили. . '

На відстані від кінців елемнента тхг = 0;гАІ = 0;| агйБ - N.

. ' ' ^

Напруження повинні задовольняти диференціальним рівнянням рівноваги, а також граничним умовам: при д;=±(б-+ґ)

а, = 0, г„ = 0; при у = ±{ь + і) сгу = 0; = 0.

На лініях- („V -±Ь: - Ь •£. у < Ь .п у - ±Ь; — Ь < х < Ь)

розділу гіл і. :г. ьііньі виконуватися умови спаю:

в« = лм. ¿ь _ ¡¡і--. = г'; , де г. - нормаль до границі

розділу тіл. _

Розглянемо рішення задачі е яружній області, поклавши за основу роботи Л.1. Стороженка, присвячені об'ємному напружено

- деформованому' стану трубобетону.

Якщо визнати однаковими коефіцієнти Пуассона бетона та труби і^=.у,= ц то об'ємний • нанружено-деформовании стан

відсутній, задачу розв'язують формули переміщень:

л = V* -а,уу; = а>,. (1)

при цьому деформації дорівнюють:

= и'г - -с^ц £,-у=-а,у, £х - и/г - а; ?щ. -»' + »;= 0, (2)

а напруження: <т, - 0; сгІ = 0; гч = 0;

ГахЕх для тіла 1; ег, = < (З'

[а^Е- для тіла 2, '

причому с, = 3 = £,5: + Ей5^\ и.3.- площі поперечного

перерізу бетону та труби.

Однак в дійсності у1 * V,. Використання формул (1) - (3) прп V, = V, пршводпгь до того, що порушуються умови спаю, прп цьому розривп зміщень: § ~ а,(о,А, = а,(с, - а^)у.

Для видалення фіктивних розривів необхідно вирішптц допоміжну задачу теорії пружності про плоску деформацію - треба зпайтп пружну рівновагу бруса при плоскій деформації н плсщшіі ху при умовах, що: а) бокова поверхня вільна від напружень; б) на лінії разділу матеріалів напруження однакові, а зміщення мають розриви, що дорівнюють - А,.

Допоміжна задача розв’язується методом скінчених елементів, тому що її аналітичне рішення досить важке. Разбиваемо поперечний переріз бруса на М .елементів с N вузлами (мал.5). Між вектором вуатовпх сил {г} = {хі,у^хг,уг\...хл, ул) та вектором вузлових переміщень {V} = {і«?,; ар2;...и^} існує залежність

[*]х{К} = {Р}. (4)

де [/Г] - матриця жорсткості перерізу.

■ Матриця [/£] будується як сума матриць жорсткості ; к) окремих елементів,

^ М = А[лГ[5]г[сГ[В][лГ, (5)

де [5]г,[.4]''г - транспоніровані матриці Д - площа

трикутного елементу, [Л [С]"1 - обернуті матриці до ; А]; [С].

В нашому випадку [Г] = 0, а частина переміщень із вектора {У} повинна задовольняти умові на границі розділу тіл 1, 2: =а1(^~ у,)х/, = »і)у„ да х„у, - координаты вузла

спаю тіл ІД. При одиничній дії ^ = І£/і,. Система отриманих

рівнянь вирішується методом Холецького, знаходяться переміщення {і/} вузлів сітки перерізу, а також деформації {г} та напруження {о} в елемент:

{*}=№№}:

• (сг}= [СҐІ4

При цьому відмінили від 0 будут переміщення и*,с*, деформації є, є). напруження <т,, о-’, тщ, а*, причому поелементно • «г.*»»(<+«<).

Приймаємо в елементарному рішенні (1) - (3) а, = 1, складаємо його з рішенням допоміжної задачі. Отримане рішення, помножене на одбуде рішенням поставленої на початку задачі, якщо с, знайти з умови

(,б>

Одержане рішення задовольняє всім заданим раніше умовам. Розрахунок в пластичній стадії зводиться. до ітераційного розрахунку з зміною деформагивггих характеристик матеріалу скінечяих елементів в залежності від среднього рівня напружень в ньому.

Описании алгоритм рішення задачі реалізовано на ПЕОМ за допомогою програми "GLOBAL". Результати обчислень заносяться в файл у вигляді таблиць, де для кожної N вираховуються напруження ст*> ст.’т>*>ту2іт?*> деформації

є*> су> Ту,Лві переміщення v,u для бетону та сталі.

Результати розрахунку по такій програмі дають добре сходження з експериментальними результатами (різниця до 1% ).

Несучу здатність.трубобстонних елементів, як коротких так і гнучких можна знайти шляхом приведення квадратного перерізу до сталевого, ггрп чему з'являється можливість використання в розрахунку табличних коефіцієнтів повздовжнього згину о. Несучу здатність коротких елементів рекомендується зпахолетз за формулою

'N-HA*, (7)

А^ = А, + Аьа, (S)

де а коефіцієнт приведення, який можна знаходити двома способами: * -

1. ‘ = (9)

2 «е = 1*> • <И»

К

де С, - коефіцієнт, що враховує об'ємно - напружений стан бетону в трубі. За . результатами статистичної обробки експериментальних даних з урахуванням коефіцієнту' надійності

по матеріалу Ц знаходиться в межах 1.4 - 1.2 в залежності від класу бетону по міхшості. Із збільшенням класу бетону ц зменшується.

Результати розрахунку несучої здатності по запропонованій методиці - дають добре- співпадай ня з експериментальними результатами (по способу ¡відхилення до 3.5-12.5%, по способу 2 -8.5-1-20%). Необхідно відмітити, що для визначення несучої здатності трубобетонних елементів квадратного перерізу точнішим с спосіб 1, з •¡астосуваншім коефіцієнту

Таким чішом у відповідності з розробленого методикою моїхдиво визначення несучої здатності центрально стиснутих трубобетоинш. елементів квадратного перерізу з використанням наведеких в СНпІІ ІЇ-23-81* табличних коефіцієнтів повздоюіліього этану <р.

П’ята глива присвячена розробці рекомендацій по

проектуванню несучих конструкцій, виготовлених із тонкостінних

сталевих труб квадратного перерізу, заповнений бетоном.

При іірожгуїтші центрально стиснутих трубобетонних елементів

кїшдр^шого перерізу без врахування гнучкості несучу здаї ністьсть

рскоькЯїДуегься знаходити псі розробленім таблиці, яка включає

несуні здатності всіх їрубобеюнних елемснгів ХБЛДРЗЇНОГО

перерізу з різішмп класами бетопу по кішюсп при центральному

стиску без врахування гнучкості, або по формулі ' N/ ¿Ну.

- /К, уГс

Розрахунок на стійкість трубобетонних елементів квадратного перерізу при центральному стиску мох-сна виконувати: або шляхом множення несучої здатності з запропонованої таблиці на коефідіспт ф. або по формулі

И/ <И %- .

Таксш розроблені таблиці для визначення приведенное площі ЛгМ, геометрпчпих характеристики І...,, і^, "VV^.

З використанням розроблених рекомендацій по проектуванню можливе ширше застосування трубооегоялнх глсмептіп в якості несучих будівельних конструкцій та в складі :крізних систем.

ЗАГАЛЬНІ ЗИСНОВКИ

Дисертаційна робота присвячується експерішентальяс-георетичному . дослідженню напружено-деформованого стану

центрально стиснутих елементів із сталевій труб квадратного перерізу заповнених бетоном . Загальні результати роботи такі.

1. Експериментально досліджена несуча здатність центрально

стиснутих трубобетонннх елементів із сталевих труб квадратного перерізу в залежності від геометричих розмірів, міпнісннх

характеристик матеріалів та різних схем передачі навантаження.

2. Встановлено, що найвнгіднішіш є комплексне

навантаження елементів. наГніешігіллііішм - передача

навантаження на оболонку. При досягненні граничного стану квадратна форма трубобетонного зразка намагається прийняти йор му ката.

3. Розроблені три види стиків трубобетонннх елементів

. . ...

квадратного перерізу, які мають однакові міішссні

характеристики. .

4. Одержана на основі проведеннях теоретичних досліджень методика дає змогу оцінити напружено - деформований стад грубобетоншк. елементів квадратного перерізу при комплексно sty навантаженні. В результаті обчислень можна знайти переміщення, деформації та напруження з моменту прикладення навантаження і до досяпіення граничного стану. Одержані залежності дозволяють моделювати та оцінювати сумісну роботу бетону та сталі на різних.

стадіях навантаженій при різних, геометричних га фізико -механічних характеристиках. Розроблена програма "СЬОБль'. яка дозволяє ’ оцінити напружено - деформованій: етан

трубобетонкісс елементів квадратного перерізу за допомогою ПЕОМ,. .

5. Одержані формули для знаходження несучої здатності трубобетонних елелентіп квадратного перерізу. Встановлено, що результати обчислень несучої здатності добре співпадають з експериментальними даними.

6. Розроблені рекомендації для розрахунку трубобегонних елементів квадратного перерЬу, в які включені таблиці з несучими здатностями центрально сиснутих трубобетонних елементів квадратного перерізу без' врахування гнучкості, а також інші, необхідні для. обчислень таблиці, що значно спрощують проектування конструкцій.

Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано в

наступних статтях і препринтах:

1). Головко Г. В., Романов И.Ю. Изгибаемые трубобетонные элементы прямоугольного сечения // Тези доповідей 45 наукової конференції ПолтІБІ; Полтава, 1993. - С.289.

2). Головко Г.В. Особливості роботи трубобетонних елементів квадратного перегину // Тези доповідей 46 наукової конференції ПоятІБІ, Полтава, 1994. - частина З, С.43.

• 3). Головко Г.В. Міцність та деформахивність стиснутих трубобегонних елементів виготовлених із стальних груб квадратного перетину'. // Тези доповідей 47 наукової конференції ПолтТУ, Полтава, 1995. - частина З, С.25.

4). Головко ГВ. Експериментальне дослідження центрально стиснутих елементів квадратного перерізу. // Тези доповідей 48 наукової конференції ПолтТУ, Полтава, 1996. - частина З, С.49.

5). Головко Г.В. Несуча здатність стиків трубобетонних елементів квадратного перерізу. // Тези доповідей 48 наукової конференції ПолтТУ, Полтава, 1996. - частіша З, С.50.

6). Головко Г.Б. Растет несущей способности трубобетокпъ;::

oiviCHTor, квадратного селения при осевом сжатии. //Научнотехническая конференция "Сталежелезобетонные конструкции: исследование, проектирование и строительство" Кривой Рог, 1996.

- С.29. . '

7). Стороженко Л.И., Васюта В.В., Головко Г. В., Семко A.B.

Иссушая способность сжатых конструктивных элементов из стальных тонкостенных гнуто - сварных профилей квадратного ссчения, занолненых бетоном // Международная конференция "Металлостроительство -96" / Сборник трудов.- Макеевка, 1996г. -Том 1. - С. 76-77. ■

S). Стороженко Л.І., Васюта В.В., Головко Г. В., Семко О.В. Експериментальне дослідження несучоі здатності стиснутих груСооетонннх елементів квадратного перерізу // Матеріали II МозїарадЕОго симпозіуму ''Механіка і .фізика руйнування оулівелі-.нлх матеріалів та конструкцій" - Львів, 1996. - С. 269-271.

9) Стороженко Л.И, Васюта В.В., Головко Г.В. Несущие

грубобетонные конструкции квадратного поперечного :ечеішя//Матеріали науково-технічної конференції " Науково-арактнчні проблема. сучасного залізобетону" - Київ, 1996. - С 170172. ’ . ’ . . '

10). Storozhenko L.. Vasyuta V., Golovko G. Concrete filled square steel tubular dements under compression //XLII Konferencia Vaukowa Kiliw Pan i PZITB "Krynica '96" - Krakow', 1996. - p.ЮЗ-10. - ' • ■

11). Стороженко Л.І, Васюта В.В., Головко Г. В. Розрахунок юсучо" платності стиснут ил трубобетоннш: елементів квадратного іерерізу //Матеріали науково-технічної конференції. - Рівне, 1996.

С. 204-209. .

12). Стороженко Л.И. Васюта В.В., Головко Г. В. Сортамент конструктивных элементов' из трубобетона квадратного сечения. /Научно-техническая конференция "Сталежелезобетонные :онструкціга: исследование, проектирование и строительство“ -Сривои Рог, 1996. - С. 17.

АШІОТАЦІІЯ

Головко Г.В. "Напряженно-дефорйированное состояние центрально сжатых элементов из стальных труо квадратного сечения , заполненных бетоном".

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 05.23.01 - строительные конструкции, здания и соорзокения. Полтавский технический университет. Полтава, 1996.

Экспериментально исследована работа центрально сжатых элементов из стальных труб квадратного сечения, заполненных бетоном. Предложен ыетод ■ оценки наиряженно-деформированного состояния и методика определения их несущей способности.

Разработаны рекомендации по проектированию сжнтых элементов из стальных груб квадратного сечения, заполненных бетоном.

Ключові слова: трубобетон, елемент, напружено-

деформорований стан, несуча здатність, стиск.

ANNOTATION .

^Golovko G.V. "Stress and deformation state of concrete filled square steel tubular elements under acsial compression."

Dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences, speciality 05.23.01 - Building Structures, Buildings & Structures. Poltava Texhnical University, Poltava, 1996.

Work of concrete filled square steel tubular elements Under acsial compression is experimentally researched. Both the estimation of stress and deformeiion state of this elements and method for estimation of limit strength has been proposed. _

Proposed xecomendations for design concrete filled square steel tubular elements.

Key words: concrete filled steel tube, elememt, stress and deformation state, limit strength, compression.