автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние узла сопряжения центрифугированных колонн кольцевого сечения с фундаментом стаканного типа

РГ6 од

2 1 ¡«011 »333 БЕЛОРУССКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

АЛЬ-ШАРИ ХЕШАМ АХМЕД

УДК 624.075.023.012.45:624.15

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УЗЛА СОПРЯЖЕНИЯ ЦЕНТРИФУГИРОВАННЫХ

КОЛОНН КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ С ФУНДАМЕНТОМ СТАКАННОГО ТИПА

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск 1993

Работа выполнена на кафедре "Железобетонные и каменные конструкции" Белорусской государственной политехнической академии

Научный руководитель

Консультант Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РБ, академик БГГА

Т.Ч.Пецольд

- старший научкцй сотрудник

Н.А.Рак

- доктор технических наук, профессор

Ф.А.Иссэрс

- кандидат технических каук, доцент

Е.Г.Кразченно

- Белорусский проектный институт "Белпромяроект" Госстроя РБ

З&здта состоится

1593 г. в

/У часов на заседании специализированного совета 3-056.02.01 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г. Минск, проспект Ф.Скорины, 65, Белорусская государственная политехническая академия.

С диссертацией ыскно ознакомиться в библиотеке БГПА. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенньгй печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан "" _1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, кандидат технических наук Е.М.Сидорович

Белорусская государственная политехническая академия, 1993

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

В Беларуси и Иордании основьой объем зданий и сооружений строится с применением сборных железобетонных конструкций. По прогноза специалистов эга тенденция сохранится в обозримом будущем< поэтому снижение ресурсосмкости железобетонных конструкций имеет большую актуальность. Значительную роль играет здесь и энергетический кризис, в котором оказалась Республика Беларусь после завоевания своей независимости.

В концепции снижения материалоемкости и энергоемкости, повышения качества, надежности и сокращения сроков строительства на основе совершенствования индустрии сборного железобетона, разработанной в республике по задание правительства, отмечается большая перспективность центробежкой технологии изготовления яелезобетонных конструкций. Это подтверждает большой объем построеннцх за последние года зданий и сооружений с применением тонкостенных: келезобетонкых колонн» изготовленных методом центрифугирования. Только при строительстве одноэтакннх производственных зданий применение полых колонн позволило снизить но сравнения с типовыми конструкциями до 50 % расход бетона, до 30 % расход стали и на 15 % энергоемкость изделий, одновременно повысив их качество и надежность, автоматизировать аесь процесс изготовления конструкции.

За последние 15 лет проведен больной объем исследований центрифугированных колонн и балок различных сечений, изучена работа оголовков колонн, закладных деталей и т.д.

В процессе проведения натурных испытаний колонн кольцевого сечения в составе каркаса одноэтажного производственного здания было обращено внимание на несколько необычный характер образования нормальных трепан в зоне защемления колонны з фундаменте стаканного типа.

Первые нормальные трещины раскрывались выше обреза фундамента на расстоянии равном I...1»5 диаметра колонны.

Попытка смоделировать в лабораторных условиях напрязйешго-дефармированное состояние узла сопряжения центрифугированных колонн с фуод-\ментами при простом гнецентряшгам загружеиии колонн хотя и подтвердила частично результаты натурных испытаний, но и поставила целый ряд новых вопросов, особенно это кат

сается работы фундаментов стаканного типа.

Понимая исключительную важность нздужности узла сопряжения полых колонн с фундаментами было принято решение провести более обширные лабораторные испытания узлов с максимальным моделированием их работы е составе каркасов одноэгадных производственных зданий.

Настоящая диссертация посвящена повышению эффективности и надежности зданий и сооружений, строительство которых ведется с применением центрифугированных колонн кольцевого сечения, которое достигается путем исследования напряженно-деформированного состояния узлов сопряжения полых колонн с фундаментами стаканного типа, что позволяет разработать рекомендации по расчету и конструированию узлов. Исследования проводились в ремках целевой комплексной программы 55.02 РЦ "Разработать, исследовать и внедрить новые центрифугированные железобетонные конструкции различных форм поперечного сечения широкой номенклатуры, каркасы одноэтатаых и многоэтажных промзданий". Диссертация выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Белорусской государственной политехнической академии.

Целью работы является исследование налряашнно-дсформированного состояния узла сопряжения центрифугированных колонн кольцевого сечения с фундаментами стаканного типа при схемах эагружения, отвечающих работе кслонн в составе каркасов одноэтажных производственных зданий3 и разработка рекомендаций по расчету и конструировании таких узлов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следугцие основные задачи:

- провести анализ сочетаний усилий в узлах сопряжения колонн бескрановых одностатных производственных зданий с фундаментами стаканного типа и разработать план экспериментальных исследований;

- разработать конструкцию опытных образцов узлов и методику экспериментальных исследований, которая позволила бы при испытании создавать реальное сочетание усилчй в узлах сопряжения;

- проиег-.ти статические испытания опытных образцов узлов сопряжения кольцевых колонн с фундаментами и проанализировать их результаты;

- оценить применимость для расчета трещнностойкости, деформаций и несущей способности элементов узла сопряжения норма-

тивной методики и других предложений;

- провести анализ методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния узла сопряжения;

- разработать рекомендации по расчету узлов, которые будут учтены при корректировке типовых серий.

Автор защищает:

- разработанную методику экспериментальных исследований напряженно-,деформированного состояния узлов сопряжения центрифугированных колонн кольцевого сечения с железобетонными фундаментами стаканного типа;

- результаты экспериментальных исследований узлов сопряжения центрифугированных колонн кольцевого сечения с железобетонным фундаментом стаканного типа;

- результата теоретических исследований методом конечных элементов напряденнс-дсформированного состояния подколонника фундамента с цилиндрической полостью;

- методику расчета прочности узлов сопряжения центрифугированных колонн кольцевого сечения с фундаментами.стаканного типа.

Научную новизну работы составляют:

- результаты впервые проведенных экспериментальных исследования работц узлов сопряжения колонн кольцевого сечения с яселе-зобетонньми фундаментами стаканного типа при сочетании нагрузок, максимально приближенных к реальным;

- выявленный механизм достижения предельного состояния, при котором разрушение узла монах- произойти как по исчерпанию несущей способности нормального сечения колонны, так и в результате образования продольных тре:дин в стенках стакана фундамента;

- выявленный характер влияния характеристик колонн кольцевого сечения на их напряженно-деформированное состояние в зоне защемления в фундамент стаканного типа;

- критерий исчерпания несущей способности узлов по условию образования продольных трещин в стенках стакана фундамента.

Методика исследования: экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях по специальной разработанной методике. Обработка результатов экспериментоэ проведена с пгмощья программного комплекса конечноэлементного анализа СОЗМОЬ/М \/епт. 1,52 на ХВМ РС/АТ-ЗсЗй.

Практическое значение работы состоит в том, что получены новые данше о работе узлов сопряжения колонн кольцевого сечения с железобетонными фундаментами стаканного типа, которые развивают теорию расчета железобетонных конструкций и позволяют расширить область эффективного и надежного применения центрифугированных колонн в строительстве. Результаты исследований использованы институтом "Белпромпроект" при проектировании объектов и типовых серий.

Апробация работы - основные материалы диссертации докладывались и обсуддьлись на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состача Белорусской государственной политехнической академии (1989...1992 г.). Исследования проводились d райках заданий целевой комплексной республиканской научно-технической программы 55.02 РЦ "Разработать, исследовать и внедрить новые центрифугированные железобетонные конструкции различных форм поперечного сечения широкой номенклатуру, каркасы одноэтажных и многоэтажных произданий".

Публикации. По теме диссертации имеется I публикация.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, изложенных на 143 страницах машинописного текста, вкяочает 16 таблиц, ЬО рисунков н список использованной литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая ценность рабста, дана ее общая характз-ристика.

В первой главе проведен анализ конструктивных решений, методов расчета и конструирования узлов сопряжения колонн различных форм поперечного сечения с фундаментами. Поскольку в практике строительства производственных зданий из сборных желэуобетоняых конструкций наибольшее распространение получил узел сопряжения колонн с фундаментами стаканного типа, поэтому основное внимание уделено анализу исследований указанной конструкции узла.

Рассмотрены работы Васильева А.П., Васюкова Г.В., Голосо-ва В.Н., Коровина H.H., Королева Л.В., Кузнецова Л.В., Мойже-

са Л.Б., Ривкина С.А., Ступиина A.B., Тетиора А.Н., Тиммус-ка Я.И., Цесарского A.A., Эйна Э.Э. и др., посвященные исследованию узлов сопряжения колонн прямоугольного сечения с фундаментами при различных сочетаниях усилия. Отмечено, что в указанных исследованиях было изучено влияние на несущую способность узла эксцентриситета приложения продольной силы в колонне, толщины стенок и характера армирования стакана и других факторов. Результаты исследования явились основой при разработке "Пособия по проектированию фундаментов на естественном основании под колонны зданий ~л сооружений (к СНиП 2.03.01-84 и ClinII 2.02.01-Ш)" (далее "Пособие по проектированию фундаментов"), согласно которому расчет отдельно стоящих фундаментов под железобетонные колонны г.о прочности включает определение высоты плитной части фундамента, размеров ступеней, арматуры, а такие расчет поперечных сечедай подколокника и его стакана. Кроме того, производится расчет по образованию и раскрытию трещин наиболее нагруженных поперечных сечений плитной части и подколенника.

Анализ литературных источников показал, что исследовались только узлы сопряжения колонн сплошного сечения с фундаментами стаканного типа. Исключение составляют немногочисленные исследования, проведенные применительно с двухветаевыми колоннами и колоннами круглой формы сечения.

Столь жо немногочисленны исследования, связанные с изучением работы узлов сопряжений стаканного типа с колоннами кольцевой формы сечения. Впервые этот вопрос был рассмотрен Михель-соном Е.Э. применительно к телескопическому стыку секций опор электрических воздушных линий из центрифугированного бетона. Им проведен расчетный анализ работы такого стыка при действии изгибающего момента.

Исследованиям узла сопряжения центрифугированных конструкций кольцевого сечения с фундаментами стаканного типа посвящены работы Баташева В.М., &ураьлеоа А.Н., Койнаш O.A., Кудрявцева A.A., Яецольда Т.М., Рала H.A., Чурикова Д.Г. и др. Однако указанные исследования носили, в основном, либо теоретический характер, иибс оеиопывалиеъ на результата:: немногочислен!.-ж испытаний. Кроме того, применявшаяся методика исследований неполностью соответствовала фактическим условиям работы стаканио-

го стыка применительно к колоннам однозтажных производственных зданий.

Е связи с недостаточной изученностью работы стыка стаканного фундамента с центрифугированными колоннами кольцевого сечения конструирование и расчет элементов стыка до настоящего времени производится в соответствии с "Руководством по проектированию, изготовлению и применение железобетонных центрифугированных конструкций кольцевого сечения", Ы., 1979 г. (далее "Руководство не проектированию конструкций кольцевого сечения"), как для квадратных кэлонк сплошного сечения со стороной, равной наружному диагагру колонны.

На основе анализа проведенных исследований сформулированы цель и задачи настоящих исследований.

Во второй главе рассмотрена методика проведения экспериментальных исследований. С цечь» приближения условий загружония образцов при лабораторных испытаниях к реальным, имеющим место в колоннах каркасов одноэтажных бескрановых производственных зданий, был проведен анализ сочетаний нагрузок на фундаменты для различных габаритных схем каркасов.

За основу при анализе был принят материал для проектирования типовой серии центрифугированных колонн кольцевого сечения, разработанной для условий Республики Беларусь проектным институтом "Белпромпроект" Госстроя РБ и БГЛА Минобра РБ при участии ШШБ Москвы и проектного института № 1 Санкт-Петербурга. В результате этого анализа принято целесообразным ограничиться при проведении испытаний одним уровнем продольной силы в стыке, равной У » 650 кН,и одним диаметром колонны, равным 500 мм. Б качестве варьируемых параметров приняты: толщина стенки колонны (три уровня), процент продольного армирования колонны (три уровня) , расстояние приложения поперечной нагрузки относительно обреза фундамента (5 уровней).

Для проведения экспериментальных исследований были разработаны конструкции балочных образцов и методика их испытания. Балочный образец представлял собой два объединенных соосно своими нижними торцами опытных образцов узлов еопряжешм колонны с фундаментом (рис. I). Каждый опытный образец узла состоял из под-келонника фуадплента с замоиоличенным в его стакане образцом колонны.

узел I

"Л

/

/ [ '

шарнир J узел 1

7 и

V К ч'

\ ,

•Г I

у,

к>о

л -«

8

--ч ^С

.-•"-Г 1

. 'ЧГ

\ )

лК К

. V"'

-Г: >

А -V

¿ИР

\ 4

1. Образец колонны.

2 Образец фундамента

'3. Силовой горизонтальный упор

4 Горизонтальный тяж 5. СИЛОВОН ПОЛ

6 Гиловзя р..).М&

7. Опора

8 Дочкргчг

Ряс !. Схема испытаний балочного образца

Опытные образцы колонн представляли собой укороченные типовые колонны серии 1.423-6Б.ЛЗЗ.

Опытные образцы фундаментов представляли собой железобетонный подколенник длиной 1,25 м. Поперечное сечение подколенника 1000x1000 км. Толщина стенки стакана в уровне верха под-колонника составляет 175 «м.

Изготовление опытных образцов колонн и фундаментов производилось на Оршанском комбинате СЯБнК. Образцы колонн изготавливались на ременной центрифуге по технологии формования типовых колонн. Одновременно с формованием колонн изготавливались образцы - кольца для контроля физико-механических свойств бетона. Образцы фундаментов изготавливались в специально разработанной опалубке. Уплотнение бетонкой смеси производилось при помощи вибраторов. Одновременно формовались контрольные кубики.

Монтаж узлов осуществлялся в цехе экспериментальной базы БГПА. Первоначтльно образцы колонн в вертикальном положении устанавливались в нодколонники и заыоноличивались бетоном. В дальнейшем производилась сборка балочных образцов, подколонники которых объединялись путем ванной сварки выпусков продольной арматуры и сваркой специально предусмотренных закладных деталей.

Контроль фиэило-мехшических характеристик бетона опытных образцов производился при испытании выпиленных из контрольных колец 24 призм на сжатие и 24 балочек при изгибе. Кромэ того, испытано 24 кубика из вибрированного бетона. Физико-ыеханичес-кие характеристики арматуры определялись путем испытания на растяжение контрольных стер-шей.

Балочные опытные обпазш испытыволись на силовом полу лаборатории в специально изготовленной установке 1рис. I), которая включала в себя два упора, соединенные мезду собой горизонтальными тяжами, и вертикальную силовуо раму. Балочный образец располагался горизонтально мегаду упорами. Продольная нагрузка на образец прикладывалась к оголовкам колонн при помощи домкратов, закрепленных на упорах, а поперечная нагрузка - к подколенникам при помощи домкратов, установленных на силовом поду и траверсе силовой раыы.

Пр* испытании была принята последовательность приложения нагрузки, отвечающая последовательности их действия в каркасах одноэтажных производственных зданий: первоначально после уравно-

вгшиэания балочного образца прикладывалась продольная нагрузка, которая поддерживалась постоянной на леем протяжении испытания, а затем прик^сдыьалр'.'ь пс-ч-речная нагрузка.

При испытании фиксировались прогибы баночного образца, взаимные смещения колонн относительно фундаментов, деформации бетона колонн по длине и по периметру сечения, а также деформации бетона стенок фундамента.

В третьей главе приведет основные результаты статических испытаний балочных образцов и анализ напряженно-деформированного состояния стенок стаканного фундамента и колонны в зоне сопряжения.

ПерЕыс -ф ■¡•дины d опытных образцах I серии при наличии продольной сили появились в образцах колонн. Одновременно образовывались три трецины, расположенные на расстоянии от 30 до 230 ¡«л от верхнего обреза фундамента. При увеличении нагрузки происходило образование новых трещин а колоннах, а ранее образовавшиеся развивались по периметру сеченип. Зона распространения трещин от обреза фундаментов постепенно увеличивалась и в стадии, близкой к разрушение, составила 190...220 см. Анализ ширины раскрытия трещин показал, что две наиболее близкие расположенные к обрезу фундамента трещины практически на всех этапах загружения имьяи меньшее раскрытие, чеи третья и четвертая трещины. Такой результат подтверждает положительное влияние на работу кольцевой колонны защемления последней в тело подколонника. С ростом нагрузки ширина раскрытия трещин в колоннах возрастала до 0,8...1,2 мм. При достижении относительккмн деформациями крайнего сжатого волокна величин 320...360.10"^ бетон сжатой зоны одной из колонн балочного образца разрушался. Раздробление бетона еопрозоздаяось разрывом арматуры в места расположения трядии, имеваих максимальное раскрытие на всех стадиях нагруже-ш. Для условий испытаний такой трещиной во всех образцах являлась третья по счету, расположенная на расстоянии 19...23 см от обреза фундамента. Это сечение то результатам испытаний явилось наиболее опасный и для него рекомзвдуотся производить проверку на образование и раскрытие трещин, а также расчет по несущей способности.

В некоторых образцах узлов сопряжения помимо трещин в колоннах образовывались продольные трещина в стенках стакана фун-

У

дамента. Причем первоначально появлялись трещины в передней стенке стакана, а затем в одной из боковых стенок. Однако при максимально достигнутых усилиях при испытаниях образцов I серии она не превышала 0,05 мы. Характер разрушения балочных образцов I серии показал, что несущая способность узла при величине продольной силы Л/ к 650 кН определялась несущей способностью нормальных сечениЧ колонн.

При измерения деформаций колонн в зоне их примыкания к фундаменту было установлено, что размер поперечного сечения колонн в плоскости действия изгибающего момента уменьшился, т.е. наблюдалось сплюг.ивание, которое сопровождается увеличением размера колонны в перпендикулярном направлении. Таким образом, отмечена депланация поперечного сечения колонны, которое из кольцевого превращается в эллипсовидное с меньшей осью в плоскости изгиба. Величина депланации до момента образования трещин примерно обратно пропорциональна величине цилиндрической жесткости замкнутой оболочки, средний радиус и толщина стенки которой соответствуют колонне кольцевого сечения.

При повторных испытаниях неразрушивоихся половин балочного образца на действие изгибающего момента (П серия образцов) место расположения наиболее опасного сечения и ввд раоруиения образца узла соответствовал полученным при испытании образцов I серии. Однако в одном из образцов характер разруиения оказался принципиально другим. Здесь после образования продольных /рещин в передней и боковых стенках стакана произошло нарупение сцепления между бетоном замоноличиванкя и внутренней поверхностью стакана по всей растянутой зоне стыка. При этом нарушилась сплошность узла и кардинально изменилась схема его работы: увеличилось давление на передни«) стенку стакана, возросли усилия в боковых стенках, что привело к разрушению последних ь зоне их примыкания к передней стенке. Из сопоставления величины изгибающего момента при разрушении балочного образце с моментом, полученным в I серии испытаний сделан вывод о существенном ослаблении узла при отсутствии продольной силы.

Анализ акспертаентальных данных напряженного состояния колонны в зоне примыкания к фундаменту стаканного типа сочетался с оценкой применимости различных предложений по расчету трещино-стойкости, включая место расположения опасной трещины, деформа-

тивности и прочности колонн. Расчет трещиностойкости нормальных сечениЯ колонн по формуле ядроеых моментов (С11иП 2.0J.0l-<34; показал хорошую сходимость расчетных и опытных значений (среднее отношение расчетных моментов к опытным составило 0,883 при коэффициенте вариации 0,149).

Для оценки места появления нормальной трещины с учетом сложного напряженного состояния использована методика, предложенная ранее Пецольдом Т.М. и Раком H.A., согласно которой наиболее опасная трещина располагается на расстоянии 21...27 см от обреза фундамента, что удовлетворительно согласуется с полученными опытными значениями. Измеренный фактический угол сжатой зоны на всем диапазоне нагружения сучестгенно превышал расчетный, определенный по методике Дмитриева С.А. и Еаташе-ва В.М.

Расчет кривизны нормального сечения производился по нескольким методикам. Показано, что наилучшая сходимость наблюдается при расчете по "Руководству, по проектированию конструкций кольцевого сечения" (среднее отношение расчетных и опытных кривизн составило 1,14 при коэффициенте вариации 0,293).

Расчет прочности нормальных сечений согласно положениям СНиП 2.03.01-64 показал, что расчет несколько недооценивает несущую способность колонны кольцевого сечения в зоне ее примыкания к фундаменту (среднее отношение расчетных и опытных значений составило 0,в4в при коэффициенте вариации 0,101).

Результаты сравнений опытных и расчетных значений трещнно-стойкости, угла сжатой зоны, деформаций, места положения разру-оающэгося нормального сечения, а также его прочности свидетельствуют о положительном влиянии на напряженно-деформированное состояние колонны кольцевого сечения ее защемления в узле соп-ряжепия с фундаментом стаканного типа.

При оценке напряженного состояния стенок стакана фундамента обращено внимание на то, что при приложении продольной силы к узлу сопряжения при I серии испытаний, б продольных сечениях стенок подколонника наблюдались деформации сжатия, а при действии поперечной нагрузки при соответствующем росте изгибающего момента в этих сечениях отмечены деформации растяжения. При величине момента, равной 160...200 кНм, сжимающие напряжения полностью погашались и в дальнейшем в стенках наблюдались деформа-

ции растяжения. Рост деформаций происходил практически линейно

до величины изгибаюцего момента, составлявшего 320___360 k¡ím,

при котором в стенках стакана подколенника образовывались продольные трещины.

Характер изменения деформаций стенок подколонника б балочных образцах П серии (при отсутствии продольной силы) значительно отличался от описанного выше. С росток изгибающего момента в стенках сразу ке наблюдались деформации растяжения, а образование трещин в стенках происходило при меньших нагрузках.

Таким образом, сопоставление результатов опытов I и П серии показало на устойчиэое положительное влияние на деформации и трещиностойкость стенок стакана сжимающей продолькой силы.

Полученный характер разрушения одного из опытных образцов узлов свидетельствовал,что после образования трещин возможно изменение схемы работы узла сопряжения с последующ мгновенным его разрушением. В связи с этим одним из критериев несущей способности узла сопряжения колонны кольцевого сечения с фундаментом стаканного типа предложено принять появление продольных трещин в стенках стакана. Согласно требованиям "Пособия по проектированию фундаментов" расчет стенок стакана производится только с цель» определения площади армирования стенок горизонтальными сетками для стадии их разруаения, а какие-либо рекомендации г.о расчету на образование продольных трещин в стенках стакана отсутствуют.

В главе четвертой даны предложения по расчету прочности узла сопряжения колонии кольцевого сечения с фундаментом стаканного типа. На основании анализа данных экспериментальных исследований сформированы следующие основные положения по расчету прочности узла сопряжения колонны кольцевого сечения с фундаментом стаканного типа, исходя из двух возможных схем исчерпания несущей способности:

- разрушение нормального сечения колонны в опасном сочании;

- образование продольных трещин в передней и боковых стенках стакана с изменением ехчки работы узла и последующим разрушением боковых стенок с разрывом стержней поперечных сеток.

Расчет прочности нормального сечения допускается производить по методике СНиП 2.01.03-84, определяя положение наиболее опасного сечения в соответствии с предложениями БГЛА.

Для второй схемы разрушения получены формулы для определения коэффициентов распределения действующего в узле изгибающего момента между двумя контактными поверхностями узла (боковой и нижней торцевой). Коэффициенты распределения моментов, воспринимаемых боковой и торцевой поверхностями, предложено определять соответственно по формулам

_ ^ 5

Kds ~ // 5 > Kde ~ /+$

где - S^4 WCo¿/jr/?hp

1i¡/co[_ - момент сопротивления поперечного сечения колонны; hdp ~ глУ^кна -чаделки колонны в фундамент. Распределенный при помощи коэффициентов fas и Kde момент от внешних сил определяется относительно точки, расположенной в уровне половины глубины заделки колонны в фундамент. Кроме того, при отсутствии продольной силы в узле сопряжения необходимо принимать Xds = I и К Je = 0.

С учетом принятой расчетной модели узла был проведен расчет напряженно-деформированного состояния подколоннека фундамента методом конечных элементов с использованием программного комплекса COSMOS/AÍ версия 1,52. Конечноэлементная модель подколенника содержала 1176 элементов, соединенных между собой в 1637 узлах. Она представляла собой одну из половин подколенника, полученную разрезом его по плоскости действия изгибающего момента. Влияние отсеченной половины подколонника на рассчитываемую учтено закреплением плоскости модели, совпадающей с плоскостью разреза, от смещения в перпендикулярном плоскости направлении (вдоль оси i/ ). Кроме того, узлы модели, расположенные в ее основании, закреплены от смещения в вертикальном нгпра»зленки (ось ¿ ), а узел, .расположенный по оси симметрии подколонника, от смещения в направлении оси X • Расчет производился для двух моделей на три загружения кавдоЙ. Модели отличались только поперечными размерами подколонника. Одна из них соответствовала размеру подколонника 1000x1000 мм, а другая - 900x900 мы. Радиус и глубина полости подколонника составили соответственно 250 мм и 750 мм, а полная высота подколонника - 1200 мм. Первоэ эсгружение модели соответствовало приложению к дну стакана подколонника по площади горца колонны про-

дольной силы, рапной 1000 кН, а второе - изгибающего момента по той же площади, равного 100 кШ. Третье загруканиэ модели отвечало случаю приложения к боковой поверхности полости подколенника радиальной нагрузки, создающей изгибающий момент 100 кНм. С целью приближения условий расчета к реальным нагрузка прикладывалась не к узлам модели, а по еоответствувщим поверхностям конечных элементов. В результате расчета иэлучоны перемещения всех узлов модели, все компоненты напряжений в центрах конечных элементов, а также во всех узлах. По величинам напряжений было получено распределение усилий в слоях етекки по ее высоте. Наиболее важные результаты расчета представлены на рис, 2, где для удобства сопоставления с результатами экспериментальных исследований полученные по конечноэлементному расчету величины были умножены для первого загружения на коэффициент 0,65 (величина продольной силы при испытаниях составляла 65 % от принятой для расчета модели), а второго и третьего зегружений на коэффициенты распределения Кс1е ~ 0,15 и А'¿$ = 0,65, определенные по имевшим место в испытаниях поперечным размерам колонны и глубины ее заделки в фундамент. В результате сопоставления полученных от различных загружений модели величин усилий по слоям стенок было установлено, что определяющее влияние на напряженно-деформированное состояние стенок оказывает изгибающий момент, передающийся по боковому контакту, а все остальные составляющие усилий в узле, приложенные по торцу колонны, оказывают незначительное влияние на работу стенок стакана.

По полученным в результате расчета усилиям в стенках били определены коэффициенты включения в работу передней и боковых стенок стакана. Величина этого коэффициента численно равна отношении изгибающего момента, воспринимаемого внутренними усилиями в стенке относительно дна стакана, к величине изгибающего момента, приложенного по боковому контакту узла. Эти коэффициенты оказались равными для боковой и передней стенки и составили = Кр,*' - 0,4.

Кроме того, было определено положение равнодэйствуедей внутренних усилия в стенках стакана. Величины эксцентриситета равнодействующей относительно дна стакана составили для передней стенки Щг = 0,79 Ьс1р , а для боковых I= ^ Ь^р •

7; г5

¡>3 ТЬ

48 75

41 г:

75

54 г:

¡6.75

И 25

3 75

н 2 С 2 4 к 8 :о ;г 16

Ь) пир, см

• ! 1 М 1 ! !

! I 1 И • ! |

у ! Г\~П

/1 1 I М 1 !

1 1 мм!

Ч^ > 1 1 1 И | :

1

N Гг,-Н.

< г 0 г 4 4 8 10 1544 16 18

ь 9 1С \г И 16 18

Рис 2. Распределение усилий по елози по высоте стэуанр

<1, 2, 3) - номера загрукения

в) и с) при 5 стенки стгханз=200уи. / Ь) и «1) при $ стен*и стак<шз=£50**.

Поскольку бетон подколенника, расположенный ниже дна стакана, слабо включается в работу, его влияние на напряженное состояние стенок рекомендовано не учитывать и предложено тре-щиностойкость продольных сечений стенок стакана при действии в них внецентрешого растяжения определять по расчетному сечению, вклвчающему в себя бетон стенки и бетон замоноличивания только В пределах глубины заделки.

Окончательно изгибающий момент от внешних сил относительно точки, расположенной по оси колонны в уровне половины глубины заделки в стадии образования продольных трещин в передней и боковых стенках стакана, необходимо определять соответственно по формулам

МсаЦг = Кба ■ А/г, IV • Усrc.fr- •

Мса1,(1 » //сгс, с4 • £/4 *

где ¡(¿¡$ - коэффициент, учитывающий долю изгибающего момента, .которая передается на фундамент через внутренний боковую поверхность стакана, определяемый в зависимости оч коэффициента 5 в случае наличия продольной силы в узлз (при отсутствии продольной силы

Кс1& - 1.0);

А{г,п - коэффициент, учитывающий степень включения передней стенки стакана в восприятие изгибающего момента, передаваемого по боковой поверхности (по результатам расчетов щ = 0,4 при

¡(г£,ц - то ке боковой стенки стакана ( = 0,4 при

эксцентриситет приложения равнодействующих внутренних усилий в передней стенке относительно дна стакана ( Gfr.wO.79/К? ); 2 9{¿у - то же в боковой стенке );

Acrc.fr~ усилие, воспринимаемое расчетным сечением передней стенки стакана;

/ifcrc.fl! - то же боковой стенки стакана. Усилия А^сгс^г- и Mcrc.fl определяйте я по формулам СЛиД 2.03.01-1)4 для случая внецеьтрелного растяжения соответственно

Mrc, fr = J?ii, red -Wpl /(Q^fr

Merc, ft = foi.red ■ Wpl/(e*jL + Zy)

где fyi, fed - приведенная прочность на осевое растяжение расчетного сечения стенки;

¿?4fr и Gflhft - эксцентриситеты приложения растягивающей

силы относительно центра тяжести расчетного сечения в передней и боковых стенках стакана.

Остальные обозначения по СНиП 2.03.01-84.

По разработанным предложениям были проведены расчеты тре-щиностойкости стенок опытных образцов, которые показали хоро-pjyo сходимость расчетных и опытных значений моментов (среднее отношение указанных величин составило I.0J4 при коэффициенте вариации 0,114).

Полученную расчетом по предложенной методике величину изгибающего момента, воспринимаемого узлом сопряжения в стадии образования продольных трещин в стенках стакана,необходимо сопоставить с прочностью опасного нормального сечения кольцевой колонны и минимальную из двух указанных величин принять в качестве несущей способности узла сопряжения.

основные вывода

Г. Изучению напряженного состояния узла сопряжения центрифугированных конструкция кольцевого езчения с фундаментом было посвящено ограниченное число исследований, как правило имевших теоретическую направленность.

2. Разработана методика экспериментальных исследований, позволяющая создавать в уоле сопряжения колонн с фундаментом стаканного типа сочетание усилий, в максимальной степени отвечающие условиям эксплуатации каркасов одноэтажных производственных зданий.

J. При действии в узле сопряжения изгибающего момента наблюдается уменьшение поперечного размера (сплющивание) колонны

кольцвеого сечения в плоскости изгиба в уровне верха заделки. При нагруженни в колоннах одновременно появлялись нескочько трещин, расположенных на расстоянии 30...230 мм от верхнего обреза фундамента. Дальнейшее загружение показало, что наибольшее раскрытие имели не блиясайяие к обрезу фундамента трещины, а расположенные на расстоянии 190.. .2.80 мм, где и происходило разрушение нормальных сечений.

4. Исчерпание несущей способности узлов сопряжения с приложением продольной силы происходило в результате достижения текучести в наиболее удаленных от сжатой зоны стержнях продольной арматуры колонн с последующим раздроблением бетона сжатой зоны. Расчет 'несущей способности нормальных сечениЛ колонн показал удовлетворительную сходимость результатов с полученными опытными данными. Среднее отношение составило 0,348 при коэффициенте вариации 0,101.

. 5. В стенгсах железобетонного фундамента продольная сжимающая сила вызывает напряжения сжатия по всей высоте стакана. Яри приложении изгибающего момента б верхней части стенки появляются деформации растяжения, рост которых сопровождается образование" продольных трещин в передней и боковых стенках стакана. При отсутствии продольной сжимающей силы рост деформаций от дей ствия изгибающего момента происходит более интенсивно.

6. Аншшз методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния подколонника на действие различных комбинаций усилий в узле сопряжения показал, что напряжения в стенках стакана создаются, в основном, давлением на внутреннюю боковую поверхность стакана, а остальные составляющие (равномерное давление и изгибающий момент по торцу колонны) практически не оказывают влияния на работу стенки.

7. На основании анализа методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния подколонника определены коэффициенты включения в работу станок стакана фундамента при различных составляющих усилий в узлах, а также положение равнодействующих усилий, воспринимаемых различными стенками стакана.

d. Расчетный изгибающий момент в узле сопряжения, соответствующий стадии образования в стенках фундамента продольных трещин, зависит от тречу.шостойкости расчетного "генки

стакана, коэффициента включения стенки в работу и коэффициента

распределения усилий в узло. Расчет прочности узла по предлагаемой методике показал хорошую сходимость с экспериментом. Среднее отношение расчетных и опытных значений составило 1,034 при коэффициенте вариации 0,114.

9. С учетом полученного характера разрушения критерием исчерпания несущей способности узла по фундаменту следует считать появление продольных трещин в стенках стакана. Таким образом, расчет несущей способности узла сопряжения кольцевых колонн с фундаментами стаканного типа рекомендуется производить по двум случаям: разрушении нормального сечения колонн и образованию продольных трещин в стенках стакана фундаментов.

10. Результаты исследований внедрены институтом "Белпром-проект" при проектировании зданий с центрифугированными колоннами кольцэвого сечения и типовых серий.

Основные положения диссертации опубликованы в работе "Поисковые работы по совершенствованию конструкций одноэтажных и многоэтажных промышленных и гражданских зданий". Отчет о НИР-БГПА № 22о5-90. -Минск, 1990.