автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

Гб ОД На правах рукописи

РАК Николай Александрович

УДК <524.075.23.45:624.15

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ УЗЛОВ СОПРЯЖЕНИЯ КОЛОНН КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ СО СТРОПИЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации из сопскавие ученой степени кандидата технически* паук

Минск 199 4

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

засдуленный деятель науки РБ Пецольд Т.М.

Официальные оппоненты.* доктор технических наук

Климов Ю.А.,

• кандидат технических наук, доцент Нестеренко В.В.

Оппонирующая организация - АО "Белпромпроект"

Заадта состоится 199^"^. в часов на

васедании совета но заадте К.056/02.01 в Белорусской государственной политехнической академии по адресу 220027, г. Минск, проспект Сксрилы, 65, Белорусская государственная политехническая академия .

С диссертацией ысншо .¡ознакомиться в библиотеке БГПА. Отзыв ва автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью просим направить по вышеуказанному адресу.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь совета К.056.02.01,

кандидат технических наук Е.М.Сидорович

© Белорусская государственная политехническая академия, 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях перехода Республики Беларусь к рыночной экономике дальнейшее развитие капитального строительства, повышение его технико-экономических показателей будет зависеть от достижений научно-технического прогресса. Это,в первую очередь, повышение эффективности капиталовложений ва счет уменьшения стоимости и устарения ввода в строй объектов, снижения материалоемкости и энергоемкости конструкций зданий и сооружений, уменьшения трудовых затрат на кх возведение. Существеннее снижение материалоемкости сборных железобетонных каркасов одноэтажных производственных зданий, составляющих значительную часть сооружаемых объектов, может быть достигнуто за счет применения тонкостенных железобетонных конструкций из высокопрочного железобетона, в том числе центрифугированных колонн.

Убедительным подтверждением высокой эффективности колонн ютльцевого сечения является опыт их применения в Республике Беларусь начиная с 1975 г. Конструктивно-технологические особенности центрифугированных колонн обеспечили снижение расхода бетона и стали. На металлоемкость колонн больпое влияние оказывает конструкция узлов сопряжения с- фермами и балками покрытия, так как расход стали на узлы достигает 20Х от общего расхода стали на армирование колонн.

Неполное использование преимуществ колонн обусловлено тем, что при их проектировании принимались упрощенные расчетные схемы каркаса здания, в которых деформации отдельных конструктивных элементов рассматривались независимо друг от друга. Учет взаимного влияния элементов каркаса позволяет более правильно осуществить их конструирование и повысить технико1экономическув эффективность, что сегодня является достаточно актуальным.

Степень взаимного влияния элементов в составе каркаса одноэтажного здания в значительной мере определяется деформативными свойствами узлов сопряжения колонн со стропильными конструкциями. Прочность и деформативностъ этих узлов, их способность перераспределять усилия зависит от конструктивного реаения и напряженного состояния примыкающих к узлу участков сопрягаемых конструкций.

Целью.работы является разработка методики расчета прочности и деформаций узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропиль-

1

-лыш конструкциями и предложений по конструированию узлов.

Научную колк5ну работы составляют:

- экспериментальные данные о влиянии конструкции уала, схемы и последовательности приложения нагрузки на напряженно-деформированное состояние узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями;

- экспериментальные данные о влиянии пластины закладного изделия на напряженно-деформированное состояние опорных участков железобетонных конструкций при местном сжатии;

- рекомендации но назначению параметров расчетной модели для определения контактных деформаций, учитывающей особенности армирования и схемы приложения нагрузки;

- методика расчета прочности и деформативности узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями.

Практическое значение работы заключается в том, что методика расчета прочности и деформаций узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями позволяет учесть совместную работу конструкций в составе каркаса одноэтажного-производственного здания, что снидает металлоемкость колонн до 15%.

Автор рашпцает:

- методику и результаты экспериментальных ' и теоретических ' исследований напряженно-деформированного состояния узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями;

- результаты экспериментальных исследований контактных деформаций опорных участков железобетонных'конструкций при местном сжатии;

- методику расчета величины контактных деформаций опорных ■участков железобетонных конструкции при местном сжатии, учитывающую характер их армирования и схему приложения нагрузки;

- методику расчета прочности и деформаций узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями, учитывающую влияние конструктивных особенностей сопрягаемых элементов.

Результаты работы реализованы при разработке типовой серии железобетонных центрифугированных колоьн одноэтажных промышленных зданий без мостовых кранов (1.423-6В/83), альбома узлов сопряжения железобетонных колонн кольцевого и квадратного полого сечения одноэтажных производственных зданий с другими конструкциями (шифр 76018/7); ТУ С5 БССР-271-84. Новые узлы сопряжения колонн кольце-2

вого сечения со стропильными конструкциями внедрены на ряде объектов строительства Республики Беларусь.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались па 'научных конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусской государственной политехнической академии (Шнек. 1980...1994 гг.); X и XII конференциях молодых ученая и специалистов Прибалтики и Белоруссии по проблемам строительных материалов и конструкций (Таллинн, 1979 г. и Рига, 1984 г.); У Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Таллинн, 1982 г.); заседании секции N 1 научно-технического совета ИИИЖБ Госстроя СССР (Москва, 1982 г.), а также на ряде республиканских научно-технических совещаний, конференций и семинаров.

Диссертационная работа выполнена в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории строительных конструкций и на кафедре» "Железобетонные и каменные конструкции" Белорусской государственной политехнической академии под руководством д.? я., профессора Пе~ цольда Т.М. Автор благодарит_профессора .Кдевцова В. А. П31ИЖВ) за оказанную помощь в работе.

Исследования выполнялись в соответствии с заданиями Целевой комплексной программы Госстроя СССР N ?2536-"8, программ Госстроя СССР ОЦ 031 и 0.05.01.121, а также ряда республиканских научно-технических программ.

За разработку и исследование узлов сопряжения центрифугированных колонн, разработку методов расчета тонкостенных железобетонных конструкций автор награжден бронзовой медалью ВДНХ СОСИ и дипломом ВСНТ0.

Публикации. По теме диссертации опубликовано б робот.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка использованных источников из 115 наименований. Объем работы - 217 страниц, включая 143 страниц мявшно-писного текста, 22 таблиц, 78 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

!^Р._Медении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая ценность работа, излагаются основные положения. выносимые на защиту.

Первая глава посвяшена анализу состояния вопроса, обоснованию

3

цели и основных задач исследования.

Новый этап в развитии железобетонных конструкций кольцевого сечения наступил в середине 70-х годов, когда началось их применение в качестве колонн одноэтажных и .многоэтажных производственных зданий. Наряду с совершенствованием теории расчета железобетонных конструкций кольцевого сечения, все большее внимание стало уделяться рассмотрению вопросов, связанных с работой конструкций в качестве составной части сложной пространственной системы каркаса здания. Важным этапом исследований этого направления явились проведенные в 1976-1977 гг. БГПА совместно с НИИЖВом натурные испытания температурного блока одноэтажного промздаиия, в результате которых была исследовала работа колонн кольцевого сечения в составе трех конструктивных схем каркаса, возникающих по мере монтажа его конструкций и их включения в совместную работу с колоннами. Сопоставление характера изгиба отдельно стоящих колонн и в составе поперечных рам свидетельствован о наличии частичного защемления колонн в узлах их сопряжения со стропильными конструкциями.

Изучению работы различных конструкций узлов сопряжения железобетонных колонн сплошного сечения при действии сочетаний усилий, реально возникающих в узлах каркасов одноэтажных зданий, посвящены экспериментальные исследования В.М.Багочунаса, И.И.Весник, В.Г.Виноградовой, Р.А.Гершанка, Р.Н.Ещкеева, В.А.Клевцова, А.Мисявичу-са, В.П.Осьыинина, И.А.Петрова, А.Я.Розенблюма, А.В.Табакова, Б.Х.Тухтаева, Ю.Г.Шахновича и др. Основная часть этих работ была напразлена на исследование прочности конструкций узлов, а также оценке влияния конструкции узлов на анкеровку напряженной арматуры стропильной конструкции. Деформативность узлов изучалась недостаточно, поэтому в имеющихся предложениях по расчету не учтены многие факторы, в том числе напряденное состояние приопорных участков сопрягаемых конструкций.

Исследования работы узлов сопряжения конструкций сборных железобетонных каркасов производственных зданий показали, что деформативность узлов в большой мэре определяется контактными деформациями бетона сопрягаемых элементов. Изучению контактных деформаций бетона при сдвиге и местном сжатии посвящены исследования Х.М.Аль-маталъга, И.И.Весник, А.В.Забегаева, В.В.Зайцева, А.С.Залесова, Н.И.Катина, В.А.Клевцова, Ю.А.Климова, Ю.В.Ковапя, А. М. Малышева, В.М.Поэдникина, И.А.Русинова, Ю.В.Свидзинского, Ю.В.Сизова, 4

Л.Н.Стульчикова, М.М.Холмянекого, Б.А.Иитикова, Е.Горачека, Л.Пуме и др. В результате этих исследований получены экспериментальные данные о влиянии на контактные деформации различных факторов и разработаны рекомендации для определения величины контактных деформаций при сжатии и сдвиге. Изучение степени влияния пластин закладных изделий на величину контактных деформаций при местном слитии не проводилось.

В конце главы сформулированы цели и задачи исследований.

Вторая глава посвящена методике экспериментальных исследований.

Для исследований были приняты три типа конструкций узлов сопряжения, в первом из которых (рис.1а) опирание стропильной конструкции осуществляется черев соединительную пластину на пластину вакладного изделия оголовка колонны. Во втором типе конструкций уела (рис.16) для описания стропильной конструкции в оголовке колонны предусмотрено закладное изделие с пластиной, выступавшей над плоскостью оголовка. Применение таких узлов сопряжения не требует изменения типовых стропильных конструкций. В узле сопряжения третьего типа (рис.1в) стропильная конструкция своей нижней бетонной поверхностью опирается непосредственно на бетонную поверхность торца колонны, а на боковых поверхностях сопрягаемых конструкций предусмотрены закладные изделия, которые соединяются между собой путем приварки вертикальных стержней.

Узлы сопряжения под действием системы силовых факторов (про,-дольных и поперечных сил, изгибающих и крутящих моментов) находятся в сложном напряженном состоянии и сопрягаемые в узле элементы совершают относительно дпуг друга линейные и угловые перемещения. Для выявления зависимостей перемещений от перечисленных силовых факторов на основе ранее'проведенных исследований была разработана программа экспериментальных исследований трех серий опытных образцов узлов (всего 29 узлов).

Большое количество возможных сочетаний силовых факторов в узлах обусловило многообразие схем испытаний и конструкций опытных образцов. Испытания проводились по пята схемам (рис.2), которые позволили изучить следующие зависимости перемещений в у.^ле от со ответствукэдих силовых факторов: угла поворота узла при изгибе в плоскости поперечной рамы от величины изгибающего момента (схемы 1 и 5); горизонтального перемещения сопрягаемых в узле конструкций

5

70 К

]Г

j !| ни-1

!j НН-1 U.lidw'HL

„J.

t

£ ил JiL

Рис. I Конструкции узлов сопряжения: а - тип I; б - тип Ii; в - тип III

а 1 1 и-Ьсг 1

!

¡^т 1 { ! 1 1 !

] ! | 1 1 •

/ "ттТ' 1 1 1

Ь 1 1 1 ! 1 1 !

Г\ 1 1 ,.. ,.1......1_______ ! ! ! | !

о ге 40 бс вс юо не а(, иьн

км-м у

Рис. 3 Зависимость углов поворота от изгибающего момента в плоскости продольной рамы каркаса (схема испытания 4):

а - тип I; б - тип II

от величины горизонтальной нагрузки в плоскости поперечной рамы при различных уровнях постоянной вертикальной нагрузки (схема 2); угла поворота узла от величины крутящего момента при различных уровнях постоянной вертикальной нагрузки (схема 3); угла поворота узла величины изгибающего момента в плоскости продольной рамы каркаса при различных уровнях постоянной вертикальной нагрузки (схема 4).

При исследовании напряженно-деформированного состояния опорных участков железобетонных конструкции при местном сжатии била проведена серия из 32 испытаний стальными втампами опытных образцов опорных участков стропильной конструкции, в которых варьировались размеры и расположение штампа, а также вид основания под штампом. Выбор места расположения штампа определялся фактически возможными положениями сжатой зоны-бетона стропильной конструкции при работе узлов сопряжения в различных плоскостях. Образцы представляли собой фрагменты опорного узла фермы, содержание в себе все основные его элемента: закладные изделия,- се?:-:м косвенного армирования, рабочая продольная арматура, конструктивный каркас. При испытаниях измерялись перемещения жесткого стального штампа относительно поверхности образца и деформации бетона на боковых гранях.

В третьей главе проведен анализ представленных в графическом и табличном виде основных результатов экспериментальных исследований.

Вид зависимости угла поворота узла от величины изгибающего момента определяется тем,каким способом создается момент. В случае приложения продольной силы с постоянным эксцентриситетом относительно центра узла (схема испытания 1) зависимость являзтся практически линейной, а при постоянной вертикальной нагрузке (схема испытания 5) с ростом изгибающего момента зависимость угла поворота от последней имеет несколько характерных участков, отвечатих различным стадиям работы узла.

Напряженно-деформированное состояние испытанных узлов сопряжения при действии изгибают¿го момента в плоскостях как продольной так и поперечной рам каркаса при постоянном уровне вертикальнем» нагрузки существенно зависит от конструкции узла, в особенности от способа соединения конструкций в его растянутой зоне. Уровень вертикальной нагрузки существенно отражается на деформациях и прочности узла.

Зависимость углов поворота от величины изгио'ающего момента для увлов сопряжений I и И типа,имеют качественно схожий характер -(рис.3) и содержит три участка, на первом из которых эта зависимость является практически линейной. На этой стадии во всех элементах узла имеют место сжимающие усилия. Границей между первым и вторым участками зависимости является момент появления растягивающего усилия в одном из элементов узла. На второй стадии растягивающие усилия через сварные швы передаются к анкерным стержням закладных неделим, а усилие в растянутой аоне узла распределяется между анкерными стержнями очень неравномерно. Наблюдается ярко выраженный пространственный изгиб пластин изделий, что в большой степени определяет нелинейную зависимость угла поворота от изгибающего момента. Эту стадию работы узла можно охарактеризовать как конструктивно-нелинейную. По мере увеличения момента в элементах узла начинают появляться пластические деформации и узел переходит к третьей стадии работы, которую можно охарактеризовать как конструктивно-физически нелинейную. Границей между второй и третьей стадиями можно с некоторым приближением принять момент, равный п -лусумме изгибающего момента при треугольной эпюре по контакту и изгибающего момента при разрушении узла.

Испытания опытных образцов узлоь при изгибе в плоскостях поперечной и продольной рам каркаса показали, что узлы сопряжения могут воспринимать изгибающие моменты, значительно превышающие традиционно принимаемые, которые определяются в предположении треугольной эпюры напряжений по контакту сопрягаемых элементов. Разрушение узлов сопряжения I и 11 типов при работе в плоскости продольной рамы каркаса происходило в результате разрыва наиболее нагруженных анкерных стержней закладных изделий. Однако, если наиболее слабым элементом в образцах I типа были закладные изделия колонн, то в образцах узлов II типа закладные изделия колонн оказались значительно более прочными и разрушение происходило в результате разрыва анкерных стержней закладного изделия стропильной конструкции. Был выявлен многостадийный характер работы узла II типа, когда после разрыва первого из стержней происходил переход от одного уравновешенного состояния узла (основного) к следующему (дополнительному) на сниженном уровне изгибающего момента.при резком увеличении угла поворота (рис.36). При дополнительном увеличении изгибающего момента отмеченное явление повторялось и узел пе-8

реходил к новому состоянию.

Полученный характер разрушения узлов II типа показал повышенную надежность зшсладных деталей с большим количеством анкерных стержней. Для образцов III типа узла сопряжения, имеющих одну связь в растянутой зоне узла, характерно хрупкое разрушение в результате отрыва закладного изделия колонны от бетона оголовка, что свидетельствует о меньшей надежности узла по сравнению с узлами 1 и II типов. Кроме того узлы сопряжения III типа обладают и сравнительно повышенной деформативностыо, а угол поворота при разрушении несколько меньше.

Зависимость взаимного смещения сопрягаемых в узлах II и III типов конструкций от величины горизонтальной нагрузки является практически линейной. Однако величина коэффициента податливости (смещение на единицу горизонтальной нагрузки) вависит от величины вертикальной силы в узле и значительно уменьшается с ростом последней.

Зависимость взаимного угла поворота- сопрягаемых конструкций при действии крутящего момента в плоскости узла является линейной. Коэффициент податливости (угол поворота на единицу крутящего момента) уменьшается с ростом вертикальной нагрузки в узле, что указывает на общность природы сопротивления сдвигу и кручению, в которой определяющей является трение между бетоном сопрягаемой конструкции и примш^агащей к нему пластиной закладного изделия.

Испытания образцов опорных участков при краевой схеме приложения местной сжимающей нагрузки показали сложный характер напряженного состояния бетона в области местного сжатия. Распределение деформаций на боковых гранях образцов уже с первых этапов нагруме-ния было крайне неравномерным как по поперечному сечен«»,так и по высоте. Однако на расстоянии 25...35 см от нагруженной плоскости распределение напряжений по поперечному сечению примерно соответствовало его распределению, подсчитанному по формулам сопротивления материалов, . ■

05щая контактная деформация штампа состоит из двух составляющих: контактной деформации погружения и юнтактной деформации искривления поверхности образца. Доля указанных составляющих зависит от способа опирания штампа (на бетон или стальную пластииу, расположенную на бетоне), размеров штампа и его расположения на поверхности образца.

За пределами штампа осадки нагруженной поверхности образца затухают достаточно быстро, а на грани штампа наблюдается резкий скачок перемещений т.е. происходит как бы погружение штампа в бетон. Рост перемещений точек поверхности происходил с ростом нагрузки достаточно стабильно даже при напряжениях под штампом превышающих призменную прочность бетона. Причем величина погружения штампа (разности средней осадки штампа и осадок прилегающих к нему точек поверхности) также возрастает стабильно. Доля деформаций погружения на протяжении всего испытания остается примерно постоянной, по при одном уровне напряжений существенно зависит от размеров штампа (увеличивается с его ростом). В большом диапазоне напряжений полная осадка и-деформации погружения практически линейно зависят от напряжений под итампом.

Характер осадки штампов при опирании на пластину качественно аналогичен полученному при опирании на бетон, но при одном уровне напряжений величины как полных деформаций ток и деформаций погружения при опирании штампов на пластины в среднем меньше, чем при опирании на бетон при одинаковых размерах и расположении штампов. Таким образом, пластины закладных деталей положительно влияют не то лью на прочность бетона при местном смятия, но и на его контактную дуформатнвностъ.

Полученная практически линейная вависишсть полных деформаций штампов и деформаций погружения от напряжений. на наш взгляд, не свидетельствует ос* упругой работе элементов, а является следствием сложного взаимодействий ряда трудно поддавшихся учету факторов, та;с/ч пак наличие зазоров между штампом и основанием, шероховатость поверхности бетона, выступов и наплывов сварных ввов анкерных стержней, усадочных зазоров между пластиной и бетоном, а также пластических деформаций бетона.

В четвертой главе изложена методика расчета прочности и деформаций узлов сопряжении колонн кольцевого сечения со стропильными« конструкциями.

Предложена методика расчета пространственного изгиба пластин и неравномерности распределения усилий между анкерными стержнями закладных деталей, позволяющая достоверно учитывать большой комплекс геометрических размеров узлов сопряжения (расположение плоскости изгиба, л шиш сварных швов, анкерных стержней и т.д.). Расчетная схема растянутой зоны узла принимается в виде системы объ-10

единенных сварными швами пластин и анкерных стержней, соединяющих пластины с примыкающим бетоном. Система пластин разделяется по сварному шву на отдельные консольные пластины, а усилия п сварных швах и анкерных стержнях рассматриваются как внешние нагрузки на пластины. Схема приложения указанных усилий к консольным пластинам определяется взаимным положением сопрягаемых в узле пластин и расположением анкерных стержней. Принимаемый характер распределения усилия в сварнсм шве зависит от взаимного положения линии сварного шва и плоскости изгиба узла.

С использованием вариационного метода Ритца-Тимошенко получены цсрмулн для определения величины прогиба точки консольной пластины, которые могут быть использованы для определения перемещений точки пластины при любом симметричном положении нагрузки путем интегрирования с учетом характера ее распределения и расположения. Наиболее важным практическим приложением полученных формул является их применение для оценки неравномерности распределения усилий в анкерных стержнях закладных изпелий вследствие пространственного изгиба пластин. Неравномерность распределения усилий предложено учитывать при помощи специального коэффициента условий работы растянутых анкерных стеркией ^ ап. 1 величина которого равна отнозе -нию среднего усилия в груг.-пе стержней к усилию в максимально напряженном стержне. В диссертации приведены формулы для определения величины коэффициента условий работы, расчеты по которым дали вполне удовлетворительное соответствие расчетных и опытных данных.

Измерения напряжений в анкерных стержнях закладных деталей опытных образцов узлов сопряжения показали, что степень включение стержней в работу на сжатие определяется,в основном,их расположением относительно пирамиды влияния слшмзющих напряжений в узле, грани которой наклонены под углом 45 к вертикали. В пределах этой пирамиду напряжения в анкерных стерлчшя примерно одинаковы, а за пределами - значительно (в 5 и более раз) меньше. В свяпи с этим о некоторым запасом рекомендуется в расчетах узлое по прочности и деформациям учитывать только анкерные стержни, расположенные в пределах пирамиды влияния.

В практике применения колонн кольцевого сечения наибольшее распространение получила конструкция оголовка с внутренним утолщением, создаваемым в процессе формования колонн« путем подачи дополнительной поршот бетона в торцевые отверстия формы. Для оценки

и

влияния полости на величину контактных деформаций была выполнена серия сопоставительных расчетов конечноэлементных моделей на действие локальных нагрузок. Были выполнены расчеты плоских и трехмерных конечноэлементных моделей, имитирующих оголоеки круглых и кольцевых колонн. Для всех моделей была определена величина местных деформации, вызванная ослаблением оголовка полостью, как разность величин деформаций моделей с ослаблением и сплошных моделей при прочих равных условиях. Расчет контактных деформаций оголовков колонн с ослаблением сечения полостью рекомендуется производить как для сплоиного тела с последующим добавлением к полученному значению осадга! разности осадок сплошного и ослабленного сечения, определенных по правилам сопротивления материалов. Высота зоны определения осадок должна быть принята при этом увеличенной по сравнений с фактической на величину равную 0.6 толщины стенки.

Величина полной осадки штампа относительно заранее выбранной плоскости отсчета может быть определена по формуле

A tot » ^dep + ^dist. t

где A dep - контактная деформация погружения; Д dtst - контакт-пая деформация искривления поверхности образца.

Величину контактной деформации погружения штампа при его опи-рании на бетон предлагается определять по формуле

Adep = 6dep/Ci(dep f

где О" dep " напряжения.под штампом, а Сь. dep ~ коэффициент постели условного бетонного основания, определяемый по формуле

С), dep = Kcfep • El /Уд •

в которой А - площадь штампа, Бь - начальный модуль упругости бетона, Kdep - эмпирический коэффициент, равный для условий наших исследований 0,54.

Для случая опирания штампа на стальную пластину величину контактных деформаций погружения штампа рекомендуется определять по формуле

A dep * ©dep/Сsb,dep >

где Cst,. dep _ гаэзффициент постели усиленного пластиной бетонного 12

основания, определяемый по формуле

Csb.dsp = Ks-Kdt?-Eb/^ ,

где Ks - коэффициент повышения контактной жесткости бетонного основания вследствие наличия стальной пластины, равный 1.3 (при толщине пластины 6 - 12 мм).

Среднее отношение расчетных величин осадок погружении штампа к опытным составило 0,989 при коэффициенте вариации равном 0,260.

В качестве расчетной модели для определения контактных деформаций искривления поверхности образца целесообразно принять модель с двумя коэффициентами постели (рис.4). Верхний слой расчетной модели состоит из упругих работающих только на сжатие пружин, распределенных по всему сечению образца и накрытых сверху мембраной. В последней выделены две перекрестные ленты, в области пересечения которых находится место приложения нагрузки. Ленты в поперечном своей длине направлении считаются абсолютно жесткими, а в продольном - могут свободно изгибаться. Кроме лент в состав мембраны входят перекрестные гибкие нити, соединенные с кромками лент перпендикулярного направления. Как ленты, так и нити натянуты постоянным горизонтально направленным погонным усилием, а в бесконечности неподвижно эафеплены на контуре. Дополнительно, для учета деформаций погружения, на перекрестные ленты в пределах штампа установлен еще один слой пружин, жесткость которых принимается в зависимости от способа его опирания равной коэффициенту постели Сь, dop или Csb,dsp.

Расчетными параметрами предлагаемой модели являются два коэффициента постели, первый из которых - коэффициент сжатия Ci (размерность Н/м3), численно равен напряжения в пружинах при их единичной осадке, а второй - Cz (размерность Н/м) численно равен погонному усилию натяжения лент и гибких нитей Коэффициенты постели можно определить по формулам:

С,= Е//Н(.1-/)) ; С2 = EH/1-JJ)/2Q г

где Е и JJ - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона материала основания (в данном случае бетон); Н - высота слоя упругих пружин.

Высота слоя упругих пружин определяется как наименьшая из

13

Рис. 5. К расчету деформаций узла II типа при „ „ изгибе в плоскости продольной рамы каркаса :

Рис. 4. Расчетная модель для апределе- а - расчетная схема узла; ния контактных деформаций искривления б - положение базовых точек; поверхности. з - расчетная схема для определения перемещений

базовой точки растянутой зоны,

двух величии глубины сжимаемого слоя, определенных по следующим двум условиям:

вертикальные напряжения сГ h под центральной осью жесткого штампа на глубине Н, определенные методой теории упругости превышают на 20Х вертикальные напряжения з этой точке, определенные методами сопротивления материалов;

вертикальные напряжения С> j, не превышают 102 от средних Напряжений под подошвой жесткого штампа.

Распределение напряжений & h ЛДоль центральной оси штампа рекомендуется определять с учетом линеаризации эпюр напряжений но формулам таблицы 6 "Пособия по расчету каменных и армскамэнннх конструкций (к СНиП J1-22-81)" с использованием способа условной симметричной призмы, напряжения по оси которой равны напряжениям под серединой жесткого штампа на фактической призме, определенным методами сопротивления материалов. Как показали результаты сравнения величин напряжений, определенных по способу условной призмы и рассчитанных с использозачием МКЭ (на программном комплексе COSMOS /М версия 1.52), этот способ позволяет удовлетворительно определять напряжения как для плоской,так и для пространственной задачи.

В диссертации приведены формулы для определения перемещений (осадок и углов поворота) жесткого штампа на основании с двумя коэффициентами постели, имеющего ограниченные в плане размеры. Они распространяются на случай опирания штампа непосредственно на упругое основание, а такиена случай опирания штампа на пластину, расположенную на упругом основании. При этом пластина в пределе^ перекрестных лент считается жестко соединенной с ними, т.е. не может иегибаться в направлен,in перпендикулярном направлению ленты. Необходимо особо сговорить, что в уалах сопряжения возможны рав-ллчкые случаи расположения пластины закладного изделия на верхней плоскости железобетонного образца, а также площадки опиралsw (габаритов жесткого штампа) относительно пластины. Поэтому вид формул должен выбираться в каждом конкретном случае с учетом фактического взаимного расположения.

Для вычислений деформаций штампов по приведенной методике составлена программа для ПК на языке FORTRAN-V7. Результаты вычислений и сопоставление их с данными конечно-элементного анализа свидетельствуют, что разработанная методика расчета с использованием модели упругого основания с двумя коэффициентами постели поз-

16

воляет с высокой точностью определить деформации искривления железобетонного образца штампов при любом положении жесткого штампа (среднее отношение осадок штампов по 66 вариантам загружения штампа составило 0.978 при коэффициенте вариации 0.065).

С учетом предложений по определению деформаций погружения по разработанной методике были рассчитаны полные осадки опытных штампов. Получена удовлетворительная сходимость результатов вычислений с опытными данными (среднее по испытаниям отношение расчетных осадок штампов к опытным составило 1,053- при коэффициенте вариации 0,175).

При определении, прочности узла сопряжения в нем условно выделяют расчетные сечения, которые располагаются по контактам элементов увла. Количество расчетных сечений зависит от конструктивного решения узла сопряжения. Сечения удобно разделить на основные и промежуточные. К первш. относятся сечения, расположенные на контакте с бетоном сопрягаемой конструкции и для которых расчет является обязательным. Остальные расчетные сечения относятся к промежуточным и их прочностной расчет сводится, как правило, к проверке напряжений в сварных ивах.

При расчете прочности каждого основного расчетного сечения узла сначала определяются коэффициент неравномерности распределения усилий в анкерах растянутой зоны, а такле площадь вшпочаемнх в расчет анкерных стержней сжатой зоны. Затем определяются размеры сжатой зим по габаритам площади пересечения расчетного сечения пирамидой влияния сжимпщмх напряжений при местном сжатии. Дальнейший расчет ведется по положениям СНиП 2.01.03-84 как для железобетонного сечения. Прочность узла сопряжения окончательно определяется по минимальному изгибающему моменту из двух рассмотренных основных расчетных сечений.

Сопоставление расчетных и опытных величин изгибающих моментов показало удовлетворительную сходимость (среднее отношение расчетных и опытных величин - 0,956 при коэффициенте вариации 0,095).

Предлагаемая методика расчета деформаций узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями исходит из того, что в сопрягаемых в узле конструкциях выделяют области, называемые в дальнейшем расчетными опорными блоками, в пределах которых происходит полное накопление контактных местных деформаций. По контакту опорных блоков узел условно разделяется горизонтальным 16

сечением на верхнюю и нижнюю части. Плоскость раздела, как правило, расположена в плоскости касания пластин закладных изделий и пересекает сварные швы, соединявшие их. В этой плоскости выделяют две базовые точки (рис.4а), которые расположены нн концах перерезаемых сварных иеов по разные стороны от центральной оси узла сопряжения.

Далее рассматривается загружение каждого блока внешними усилиями, действующими в разделительной плоскости узла (изгибающим моментом от внешних усилий, определяемым относительно центральной оси узла и вертикальной силой, которая считается расположенной на оси узла). Расчетом определяются перемещения обеих базовых точек относительно основания каждого блока.

При расчете определяется коэффициент податливости узла Сь равный по величине углу искажения СХЛ на единицу изгибавшего момента М^ в узле. При этом угол искажения С( j определяется как разность взаимного угла поворота О1 ь] оснований расчетных блоков и взаимного угла поворота О^.ат условных поперечных сечений сопрягаемых конструкций, определяемый в предположении обычного расчетного распределения напряжений а них. При этом условные поперечные сечения совпадают с основаниями расчетных спорных блоков. Взаимный угол поворота оснований расчетных блоков определяется по формуле ^ =(-1А'.2д)Д|. ,

(

где ГД - сумма перемещений базовой точки, расположенной на более сжатой грани узла относительно оснований верхнего и нижнего опорных блоков; 2А - то же на менее сжатой грани узла; - рабочая высота узла, равная расстоянию между базовыми точками.

Для расчета принята диаграмма зависимости угла искажения от изгибающего момента в узле, содержащая три характерных стадии, границами ме.еду которыми являются моменты Мо и Ил- Первому из них соответствует положение нейтральной оси в месте расположения базовой точки растянутой зоны разделительной плоскости. Коэффициент податливости Сло узла сопряжения на первой стадии считается постоянным и определяется при треугольной эпюре напряжений по разделительному контакту. Границей между второй и третьей стадией можно с некоторым приближением принять момент М^, равный полусумме момента М0 и предельного по прочности момента ми. Анализ экспериментальных зависимостей угла поворота от момента показал, что для второй ста-

17

дш! (при Mo < Mj < Mm) можно принять линейную зависимость возрастания коэффициента угловой податливости узла Cj от прироста изгибающего момента.

При определении Cjm находят по формулам 161 и 165 СНиП 2.01.03-84 высоту условной прямоугольной эпюры напряжений сжатой зоны и плечо внутренней пары сил для основного расчетного сечения, имеющего меньшую расчетную высоту. При этом учитываются неравномерность распределения усилий между растянутыми анкерными стержнями и степень включения в работу сжатых анкерных стержней. Для дальнейшего расчета деформаций узла при сохранении величины плеча внутренней пары сил принимают треугольную эпюру напряжений в сжатой зоне разделительного контакта. Перемещения базовых точек от внутренних усилий относительно оснований блоков определяются с использованием принципа независимости действия сил и являются суммой перемещений , вызванных усилиями в анкерных стержнях и сжатом бетоне.

Сопоставление результатов расчета с опытными данными показало удовлетворительную сходимость ( среднее отношение расчетных и опытных.величин - 1.098).

Пятая глава посвящена внедрению результатов исследований и перспективам их применения.

Приведено сопоставление расхода стали на исследованные конструкции узла по сравнению с расходом стали на принятую в типовой серии 1.423-6 конструкцию узла. Выявлена область применения различных конструкций узлов сопряжения.По результатам исследований I тип узла сопряжения был рекомендован в качестве основного для использования в типовой серии 1.423-6Б/83, а в качестве дополнительного (при высоте стропильных конструкций на опоре до 900 мм ) было рекомендовано применение 11 типа узла. Кроме того, указанные конструкции узла сопряжения вошли чакже в серию узлов сопряжения колонн кольцевого сечения (шифр 76018/7).

В настоящее время исследованные узлы сопряжения внедрены при строительстве более 100 производственных зданий на территории Республики Беларусь. Применение их взамен предлагаемых ранее по серии 1.423-6 конструкций узла позволило получить экономию 150 кг стали на 1000 м2 производственной площади здания.

Методика расчета узлов сопряжения колонн кольцевого сечения со стропильными конструкциями была использована при оценке ироги-18

Сов колонн типовой серии 1.423-6Б/83 с учетом совместной работы конструкций в составе каркаса.

Рассмотрены перспективы использования результатов исследований и намечены его основные направления.

ОБЩИЕ ВШОДи

1. Результаты натурных исследований работы каркасов одноэтажных производственных зданий, в том числе с применением колонн кольцевого сечения, свидетельствуют о том, что узлы сопряжения колонн со стропильными конструкциями сказывают большое влияние на напряженно-деформированное состояние каркаса. Однако из-ва отсутствия методики расчета прочности и дефсрмативности узлов сопряжения проектирование колонн производилось без учета этого влияния.

2. Проведены экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния трех конструкций узла сопряжения колонн кольцевого сечения с железобетонными стропильными конструкциями при различных схемах и последовательности приложения нагрузки. Испытаны на местное сжатие опорные участки железобетонных конструкций и получены величины контактных деформаций и характер осадок нагружаемой поверхности конструкции при различном расположении площади местного сжатия и условиях приложения нагрузки.

3. Экспериментальные исследования покааали» что узлы сопряжения могут воспринимать изгибающие моменты, значительно превышающие традиционно принимаемые в предположении треугольной эпюры напряжений по контакту сопрягаемых элементов. Установлено, что зависимость угла искажения от величины изгибающего момента при работе уз па сопряжения в плоскости как поперечной, так и продольной рамы каркаса содержит три характерных стадии, различающихся напряженным состоянием элементов узла. Выявлен многостадийный характер разрушения узлов сопряжения I и II типов при работе в плоскости продольной рамы гдркаса, когда после разрыва наиболее нагруженных анкерных стержней закладных изделий происходит переход от одного уравновешенного состояния узла (основного) к следующему (дополнительному) на сниженном уровне изгибающего момента при резком увеличении угла поворота.

■1. Зависимости взаимного смещения сопрягаемых в узлах конструкций ст величины горизонтальной нагрузки и взаимного угла пово-

13

рота сопрягаемых конструкций при действии крутящего момента являются практически линейными, а величины соответствующих коэффициентов податливости уменьшаются с ростом вертикальной нагрузки, что указывает на общность природы сопротивления сдвигу и кручения.

5. Полная контактная деформация штампа состоит из двух составляющих: деформаши погружения и деформации искривления поверхности образца. Величина полной контактной деформации и доля в ней указанных составляющих зависит от величины нагрузки, . способа опи-раиия штампа (на бетон или стальную пластину, расположенную на нем), размеров штампа и его расположения на поверхности образца.

6. разработаны предложения по учету влияния на напряженно-деформированное состояние узлов сопряжения их конструктивных особенностей, в том числе пространственного иагиба пластин и неравномерности распределения усилий между анкерными стержнями закладных изделий в растянутой зоне узла, степени использования прочности анкерных стержней за:<ладных изделий в его сжатой зоне, а также ослабления оголовка колонны кольцевого сечения полостью.

7. Разработана методика определения перемещений штампа на железобетонных конструкциях, учитывающая его размера и расположение, а также наличие или отсутствие стальных пластин под штампом. Даны предложения по определению контактной деформации погружения, позволяющие учесть влияние на ее величину деформативных свойств бетона, наличие стальной пластины и величины площади штампа. Предложена расчетная модель для определения полных контактных деформаций штампа при местном приложении нагрузки, позволяющая учитывать выявленные при экспериментальных исследованиях особенности напряженно-деформированного состояния. Даны рекомендации по назначению параметров предложенной расчетной модели при различных положениях штампа. Расчет по предлагаемой методике позволяет с удовлетворительной точностью определить перемещения штампа.

8. Разработана методика расчета прочности и деформаций малометаллоемких узлов сопряжения, учитывающая многостадийнссть их напряженно-деформированного состояния и позволяющая с единых позиций определять деформации при изгибе узлов в плоскости как поперечной, так и продольной рам каркаса.

9. На основании проведенных исследований даны рекомендации по применению узлов сопряжения. Осуществлено их внедрение в типовую проектную документацию и при строительстве производственных эда-20

ний. Разработанные методики расчета узлов сопряжения использованы при расчете прогибов колонн кольцевого сечения (серия 1.423-6В/8Э) с учетом совместной работы конструкций каркаса. Определены перспективные направления использования результатов исследований в практике проектирования и строительства.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Рак H.A. О совместной работе колонн и стропильных конструкций сборного железобетонного каркаса одноэтажных производственных эданий//Тезисы докладов X конференции молодых ученых и специалистов Прибалтики и Белоруссии по проблемам строительных материалов и конструкций. - Таллин, 1079. - С.136-137.

2. Рак H.A., Пецольд Т.М., Клевцон В.А. Методика экспериментальных исследований дефэрмативности узлов сопряжений стропильных конструкций с центрифугированными колоннами, кольцевого сечения /'/ Вопросы строительства и архитектуры. Строительные конструкции и технология их производства. - Минск: Вш. школа, 1S80. - Вчп. 10. -С.41-45.

3. Рак H.A. Методика исследования деформативности узлов сопряжения стропильных конструкций с колоннам кольцевого сечения // Тезисы докладов к V Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Таллии, сентябрь 1991). - К., 1981. - С.38.

4. Рак H.A. Прочность и деформативность ,узлов сопряжения стропильных конструкций с колонками // Техника, технология, организация и экономика строительства, Строительная механика и строительные конструкции. - Вып.10. - Мн.:Виш. шксла, 1984. -С.132-136.

5. Рак H.A. Расчет колонн кольцевого сечения с учетом их совместной работы с конструкциями каркасов одноэтажных промэдаяий // Строительные конструкции. - Мл.: ИСиА Госстроя БССР, 1084. -С.16-21.

6. Пецольд Т.М., Рак II.... Учет совместной работы конструкций каркасов одноэтажных зданий при реконструкции // Строительство к архитектура Беларуси. - 1993. - Кб. - С.6-?.

РЭЗЮМЭ Рак Мпсалай Аляксавдрави

НАПРУЖАНА-ДЭФАРМАВАНЫ СТАН ВУЗ Л О? СПАЛУЧЭННЯ КАЛОН КАЛЬЦАВОГА СЯЧЭННЯ 3 (СРОКВЕННЫМ1 КАНСТРУКЦЫЯМ1

Ключавыя сювы: вузлы спалучэння, каломы кальцавога сячэння, кроквекныя канструхцьи, тривзласць, дзфармацьп, методыка разл1ку.

Праведзеиа даследаванне трох канструкцый вузлоу спалучзтш цэнтруфугава-ных калон калъиавога сячэння з крок венным! канструкцыяш. Выпрабаваны 29 дослсдных узораУ па методы ке выпрабавання, якая адпавядае рэчакнай рабсце вузлоу у складзе каркаса аднапавярховага вытворчага будынку. Атрыманы даныя аб уплыву канструкиьн с узла, схемы и паслядоунасщ прыкладання нагрузи на напружана-дэфармаваиы стан вузлоу,

Правелзены 32 выпрабаванш опорных участкау жапезабетонных канструкцый пры мясцовым сшскант. Вывучан уплыу размера)? и размяшчэння цвердага штампу, а таксама уплы? стальной плаецшы па канта ктныя дэфармацьй апорных участкау.

Распраиаваны прапановы па Улжу Уплыву прасторавага выпну плаецш закладных вырабау на раэмеркаванне намаганняу у расцягнугых анкерных стрыж-нях, вызначэнню рагиковай плошчы сшснугш анкерных с грыж™ у ! улнеу Уплыву Унуграна» поласш агалоука ка.тоиы. Распраиаваны прапановы па разлжу кантактных дэфаршиый впускания штампа пры мнсиовым сцюкаши. Пры разл!ку каитактнай дэфярмацьп скрыулення шдверхш жалезабетоннай кансгрук»ы| бетон разглялаецца як пругкае падножжа з дзвюма каэфшыенташ пасцсль для вызначэння шах даны ржаменд;шьп. Абгрушаван крьпэрый вызначэння глыбин сшскпнага ;шасту пругкага падножжа 1 наказана прьщатнасць мадэл1 цэнтряльна сшснугай нрызмы для вызначэння напружанняУ лад цэнтрам плошчы нагрузкь АтрЫманы залежнасш для вызначэння норных перамяшчэнняу цвердага штампа на жалезабетоннай канструкиьн.

Сфармуляваны асноуныя палажэнш методьш раипку трываласш \ дзфармз-иый даследаваных вузлоУ спалучэння, Прапанаваная методика дазваляе <Ычваць у раал1ку асабл1васц| работы вузлоу спалучэння пры ¡х выпну у пласкасцях папя-рочнай и падоужанай рам каркаса выгворчага будынку.

РЕЗЮМЕ

Рак Николаи Ллександкшнч НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМШ'ОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ У1ЛОВ СОПРЯЖЕНИЯ КОЛОНН КОЛЬЦЕВОГО СЕЧЕНИЯ СО СТРОПИЛЬНЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ

Ключевые слова: умы сопряжении, колонны кольцевою сечении, стропил» ные конструкции, прочность, деформации, методика расчета.

Проведены исследования трех конструкций узлов сопряжении центрифугированных колонн кольцевого сечения со стропильным!! конструкциями. Испытаны 29 опытных образцов по методике испытаний, соответствующей действительной работе узлов в составе каркаса одноэтажного производственного здания. Получены данные о влиянии конструкции узла, схемы и последовательности приложения нагрузки на напряженно-деформированное состояние уэдоп.

Проведены 32 испытания опорных участков железобетонных конструкций при местном сжатии. Изучено влияние размеров и расположения жесткого штампа, а также влияние стальной пластины на контактные деформации опорных участков.

Разработаны предложения по учету влияния пространственного изгиба пластик закладных изделии на распределение усилий в растянутых анкерных стержнях, определению расчетной плошали сжатых анкерных стержней и учету влияния внутренней полости оголовка колонны. Разработаны предложения по расчету контактной деформации погружения штампа при местном сжатии. При расчете контактной деформации искривления поверхности железобетонной конструкции бетон рассматривается как упругое основание с двумя коэффициентами постели, ял»! определения которых даны рекомендации. Обоснован критерий определения глубины сжимаемого слон упругою основания и показана применимость модели центрально сжатом призмы иди определения напряжений под центром плошали нагруженни. Получены зависимости для определения полных перемещений жесткою штампа на железах кшиой конструкции.

Сформулированы основные положения методики расчета прочности и деформаций нсследонанных узлов сопряжения. Предложенная методика позволле! учитывать в расчете особенносш работы узлов сопряжения при нх изгибе в плоскостях поперечной и продольной рам каркаса производственного здания.

SUMMARY

RAK NIKOLM ALEKSANDROVICH

STRESS-STRAIN STATE CONNECTIONS OF RINO CROSS-SECTIONAL

K<y words: Connection, Ring Cross sectional Column, Roof Truss, Strength, Deformation,

The investigation of three type connection of centrifuge ring cross-sectional columns with roof truss is carried out. 29 test specimens were tested according to the experimental procedure adequate to the real conditions of connections behavior in single-story industrial buildings skeleton. Experimental data concerning the influence of connection type, scheme and sequence of load application for stress-strain stats of connections were obtained.

32 experimental specimens of reinforced concrete supports zone were tested under local compression. The influence of dimensions and position of rigid punches and the influence of steel plate 011 local deformations of support zone are studied.

Proposals are made as to the influence of 3D-bending of steel plates for inserts on ' the distribution of forces in tensioned anchor bats and the proposals for determination of the effective area in compressed bars and for account of influence of internal cavity of the column head, there are proposals for calculation of local deformation of penetration of rigid punch under local compression, in calculating the local distortion deformation of reinforced concrete member the concrete may be considered as the elastic foundation with two modules of subgrade reaction and the proposals for this are also given. The Criterion is. given for determination of the elastic foundation compressible thickness depth. The suitability of central compressed prism model for determining the stresses under the center of load area is proved. The relationship for calculating, the total displacement of rigid punches on reinforced concrete, members is given.

The main principles of calculating procedure for determination strength and deformation of the studied connections are formulated. The proposed procedure takes into account the specific behavior of connections while their bending in transverse and longitudinal frames of the industrial building skeletons.

COLUMNS WITH ROOF TRUSSES

Calculating Procedure.