автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность армированных сталебетонных элементов при центральном сжатии

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

УДК 624.012.45.046:539.4

СУИД ОМАР

ПРОЧНОСТЬ АРМИРОВАННЫХ СТАЛЕБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ЦЕНТРАЛЬНОМ СЖАТИИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МИНСК 1997

Работа выполнена на кафедре "Мосты и транспортные тоннели Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель Официальные оппоненты

Оппонирунщая организация

- доктор технических наук, профессор Лукша Л.К.

- доктор технических наук, профессор Винокуров Е.Ф.

- кандидат технических наук, доцент Басовец Ф.П.

- "Дорстройтехника"

Залшта состоится "А? " 1997 г. в часов на

заседании специализированного совета Д 02.05.09 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220027, г.Минск, пр-т Ф.Скоринн, 65, корп.1, ауд.202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке БГПА.

Автореферат разослан " " сМсу^ 1997 Г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент Е.М.Сидорович

@Белорусская государственная политехническая академия, 1997

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сталебетонные композитные элементы сильно нагруженных конструкций находят все более широкое применение в различных областях строительства. В некоторых случаях требуются особенно прочные сжатые сталебетонные элементы, вследствие чего необходимо прибегать к армированию бетонного ядра, т.е. переходить на ста-лежелезобетонные элементы. Сталежелезобетонные элементы особенно перспективны при устройстве каркасов высотных зданий, в пролетных строениях и пилонах больших мостов, в большепролетных мембранных покрытиях производственных и гражданских зданий.

Если научных исследований поведения обычного сталебетона в литературе имеется значительное количество, то экспериментов со ста-лежелезобетонными сжатыми элементами очень мало, а с применением высокопрочной канатной арматуры не имеется вовсе. Поэтому степень научной разработанности проблемы можно квалифицировать как недостаточную, следовательно тема диссертации - актуальна.

Работа выполнялась в соответствии с индивидуальным аспирантским планом автора диссертации.

Цель работы и её задачи. Основной целью диссертационной работы является разработка композитных сталебетонных элементов высокой несущей способности на основе усиления (армирования) бетонного ядра арматурой различного вида.

Научная новизна полученных результатов. Научная новизна полученных результатов исследований, приведенных в диссертации, состоит в следующем:

1. Установлено, что армирование бетонного ядра сталебетонного элемента высокопрочной арматурой в виде канатов К-7 повышает несущую способность сталежелезобетонного элемента, однако при начале текучести стальной трубы высокопрочная проволока не достигает условного предела текучести, что не позволяет полностью использовать потенциальные возможности продольного армирования ядра канатами К-7.

2. Установлено, что армирование бетонного ядра сталебетонного элемента стержневой арматурой класса А-Ш повышает несущую способность сталежелезобетонного элемента, при этом стержневая арматура постигает предела текучести при разрушении сталежелезобетонного элемента, т.е. потенциальные возможности армирования ядра стержнями А-Щ используются полностью.

3. Установлено, что продольное армирование оказывает влияние на продольную жесткость сталежелезобетонного элемента, причем стерж. невая арматура повышает жесткость (модель деформации), а канатная арматура, наоборот, снижает жесткость сталехелезобетонного элемента.

4. Установлено, что расчет несущей способности армированных сталебетонных элементов можно производить по методу профЛ.КЛунпи с дополнительным слагаемым, характеризующим несущую способность продольного армирования. Установлено, что сталежелезобетонные элементы с канатной арматурой обладают повышенной поперечной деформа-тивностьго, происходящей за счет эффекта развивки каната при его продольном сжатии. Дана расчетная формула для определения прочности таких элементов.

5. Сделан вывод о том, что продольное армирование бетонного ядра высокопрочными канатами К-7 может быть эффективным при использовании высокопрочных труб с достаточной толщиной стенки, способной противостоять эффекту развивки канатов при их продольном сжатии.

Практическая и экономическая значимость работы состоит в том, что разработанная методика и рекомендации по расчету несущей способности сталежелезобетонных элементов при сжатии могут быть исполь зованы при проектировании сильно нагруженных конструкций высокой несущей способности, как-то: элементов большепролетных мостов, каркасов многоэтажных и высотных зданий и т.п.

Разработанное армирование сталебетонных элементов представляет интерес для производственных организаций, занимающихся строительством больших мостов и возведением современных зданий повышенной этажности, либо высотных зданий.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. На защиту выносятся:

- разработанная методика экспериментальных исследований, отличающаяся возможностью получения более совершенных результатов испытания опытных образцов благодаря особенностям их конструкции, в частности наличию рабочей зоны для измерений деформаций образца и усиления приторцевых (ослабленных) зон за счет большей толщины стенок труб, вследствие предварительной механической обработки (приточки) труб;

- результаты экспериментальных исследований, отличающиеся от известных классом и видами арматуры для продольного армирования

бетонного ядра сталебетонных опытных образцов;

- новые установленные научные факты характера изменения прочности и модуля деформации сжимаемых сталежелезобетонных элементов с изменением вида и содержания арматуры в бетонном ядре;

- разработанные рекомендации по расчету прочности сталежелезобетонных образцов.

Автором лично разработана методика эксперимента, изготовлены опытные образцы, выполнена подготовка их к испытанию, произведены испытания опытных образцов и сделана обработка испытаний, выполнен анализ результатов испытаний, дана оценка, в том числе и статическая результатов испытаний, разработаны варианты теоретического обобщения результатов испытания и определены оптимальные, рекомендуемые методы расчета прочности сталежелезобетона при осевом центральном сжатии, подготовлен доклад на международную конференцию совместно с соавторами, в котором личное участие автора состояло в предоставлении фактического научного материала доклада (графики, таблицы, основные научные данные).

Апробация работы. Полученные в исследованиях и приведенные в диссертации результаты докладывались на Четвертой международной конференции по сталебетонным композитным конструкциям, состоявшейся в г.Кошице (Словакия) в 1994 г. Кроме того, отдельные результаты обсуждались на научных семинарах кафедры "Мосты и тоннели" Белорусской государственной политехнической академии.

Публикации. Основные положения диссертации изложены в статье: "Исследование несущей способности сталежелезобетонных композитных элементов", опубликованвой в трудах Международной конференции (на английском языке).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы и трех глав основной части, а именно: литературного обзора (первая глава), методики эксперимента с анализом полученных результатов (вторая глава) и обоснований методов расчета сталежелезобетонных композитных элементов по прочности.

Полный объем работы 109 страниц , из них 42 страниц иллюстраций, 9 таблиц 12 страниц списка использованных источников из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении оценивается современное состояние вопроса исследования и применения сталебетона и сталежелезобетона, дается обоснование необходимости постановки научных исследований по теме диссертации.

В первой главе в хронологическом порядке освещается развитие проблемы сталебетона и сталежелезобетона. Показано, как инженерная мысль перешла от идеи железобетона к идее трубобетона или к сталебетону. Указывается, что главную роль здесь сыграло механическое подобие двух конструктивных решений - бетона в спирали и-бетона в стальной трубе, а именно: наличие в обоих случаях эффекта обоймы, возникающего при нагружении, вследствие дилатации бетона при сжатии. Освещаются примеры успешного применения сталебетона в мостостроении, в гражданском строительстве, в энергетике, метростроении в тяжелой промышленности (металлургия) и других областях строительства. Отмечается, что сталежелезобетон, как конструкционный материал, состоящий из стальной трубы и армированного бетонного ядра появился значительно позже сталебетона - лишь в восьмидесятых годах двадцатого века благодаря работам проф. И.ГЛюдковского. Идея армирования бетонного ядра сталебетонного элемента возникла у московских исследователей после анализа характера разрушения сталебетонных элементов больших диаметров, которое сопровождается сколом бетонного ядра по наклонным к оси элемента поверхностям. Как показано нами во второй главе, армирование бетонного ядра не устраняет явления скола, а лишь повышает несущую способность элемента.

В последнее десятилетие обширные исследования свойств сталежелезобетона выполняются японскими учеными. Основная идея японских ученых состоит в том, чтобы найти инженерное решение колонн зданий и опор мостов, эффективно сопротивляющихся поперечному сдвигу (перерезывание) при действии сейсмических нагрузок. Как известно, самыми опасными сейсмическими нагрузками являются сдвигающие -от горизонтальных толчков (движений) земной коры. Опытные образцы в исследованиях японских ученых изготавливались прямоугольными, в основном квадратного сечения с армированием стержневой арматурой, Нагружение - продольной силой небольшой величины (У» 0,35 % от разрушающей), поперечной силой и изгибающим моментом. Опытами установлено, что продольное армирование существенно повшает прочность сталежелезобетонных элементов на срез. Между тем, главную роль в сопротивлении срезу играет стальная труба, как создающая

трехосное (цилиндрическое) напряженное состояние бетона, в котором бетон значительно лучше сопротивляется срезу или скалыванию.

Анализируются методы расчета прочности сталебетона, разработанные японскими учеными. Констатируется, что эти методы имеют эмпирическое происхождение. Из отечественных методов расчета рассматриваются наиболее фундаментальные: акад. Передерия Г.П., проф. Росновского В.А., проф. Санкаровского P.C., проф. Стороженко Л.И., а так же методы проф. Гвоздева A.A. и проф. ЛукшиЛ.К. Показано, что метод А.А.Гвоздева применим только для тонкостенных стальных труб, заполненных бетоном, а метод Л.К.Лукпи является универсальным. Поэтому ниже в третьей главе он принят в качестве базового для построения метода расчета сталежелезобетона, разработанного в диссертации. В заключение первой главы дается обоснование, почему в качестве базового принят данный метод. Основными достоинствами принятого к построению расчета метода Л.КДукпш являются: фундаментальность, универсальность и высокая точность.

В целом в литературном обзоре нашли отражение работы почти всех исследователей, которые занимались проблемой в текущем столетии, а именно: О.Н.Алпериной, О.Я.Берга, Е.И.Белени, И.Г.Гончарова, А.А.Долженко, А.Б.Квядараса, Л.КДукши, И.ГДюдковского, В.Ф.Маренина, Н.В.Микулы, А.П.Нестеровича, В.И.Полякова, В.Ф.Пея-ца, А.А.Потапкина, Г.П.Передерия, В.А.Росновского, В.М.Сурдина, Я.П.Семененко, Н.Ф.Скворцова, Л .И.Стороженко, В.М.Фонова, Д.В.Черкасова, А.В.Яшина, Р.Бекера, С.Белмера, М.Вакабаяши, Н.Дж.Гардне-ра, И.Джабра, Ш.Жонга, Г.Кармана, К.Клеппеля, А.Консидера, Г.ШДона, А.Ноли, У.Мацумото, Ч.Мацую, Г.Мацумары, М.Пристли, К.Сакино, А.Т.Салеха, Ж.Севела, Х.К.Сена, М.Томи, Ш.Дай, Р.Фурлонга, Р.Фогели, Ж.Чапмана, Т.Ямакави, М.Ямады и др.

Во второй главе изложена методика и приведены результаты экспериментальных исследований.

Для изучения механических свойств сталежелезобетона было изготовлено 2 серии сталежелезобетонных образцов круглого сечения из бетона одного класса по 6 образцов в каздой серии. Серии различались характером армирования бетонного ядра. Каждая серия кроме того включала 3 бетонные призмы размером 10x10x40 см - для контроля модуля упругости бетона и 4 или 5 кубов размером 10x10x10 см для контроля класса бетона. Кроме того, испытывали металл стальных труб и применяемой арматуры.

Первая серия опытных образцов армировалась стержневой арматурой класса А-Ш диаметром 20 мм. В первой серии всего было изготов-

леко 4 армированных и 2 неармированных образца. Армирование образцов осуществлялось четырьмя, шестью, восемью и десятью стержнями арматуры ^ 20, А-Ш.

Вторая серия опытных образцов армировалась канатной высокопрочной арматурой К-7 диаметром 15 мм. Во второй серии тоже было изготовлено 4 армированных и 2 неармированных образца. Армирование осуществлялось четырьмя, шестью, восемью и десятью канатами К-7.

Основные характеристики армированного сталебетона всех образцов представлены в табл.1.

Таблица I

Геометрические характеристики сталежелезобетонных образцов

1-0 213,46 207 3,23 - - - 336,53

1-00 213,46 207 3,23 - - - 336,53

1-4 213,46 207 3,23 А-Ш 4 1256,6 323,97

1-6 213,46 207 3,23 А-Ш 6 1884,9 317,69

1 1-8 213,46 207 3,23 А-Ш 8 2513,2 311,40

1-10 213,46 2СГ7 3,23 А-Ш 10 3141,6 305,19

2-0 213,46 207 3,23 _ _ _ 336,53

2-00 213,46 207 3,23 - - - 336,53

2-4 213,46 207 3,23 К-7 4 566,4 330,87

2-6 213,46 207 3,23 К-7 6 849,6 328,04

П 2-в 213,46 207 3,23 К-7 8 1132,8 325,21

2-10 213,46 207 3,23 К-7 10 1416,0 322,37

При изготовлении опытных армированных сталебетонных образцов особенное внимание уделялось тщательной фиксации арматурных каркасов с тем, чтобы арматурные элементы были параллельны оси труб. С этой целью для монтирования каркасов из канатной арматуры применялись изготовленные из проволоки класса Вр-1 диаметром 5 мм два

кольца, расположенные у торцов образцов. К кольцам на сварке укреплялись арматурные элементы, а сами кольца с помощью коротшей приваривались к внутренним стенкам трубы. Для фиксации стержневой арматуры применялись арматурные отрезки 5-миллиметровой проволоки, которые приваривались к стержням и к стенкам труб у их торцов.

Для устранения влияния краевого эффекта в стальных трубах производилась обточка стенок в средней рабочей части труб на длине 572,5 мм. Кроме того по торцам образцов выполнялись стальные ого-ловники.

Для изучения механических свойств стали трубы из её стенок выпиливались продольные полосы, из которых изготавливались в соответствии с ГОСТ 7564-73 и ГОСТ 11701-84 опытные образцы-восьмерки в количестве 3 шт.

Образцы испытывались на растяжение в соответствии с ГОСТ 1497-84 на испытательной машине Р-50. По результатам испытания определены: предел текучести металла, модуль упругости и предельная растяжимость (табл.2).

Таблица 2

Результаты испытания стали трубы на растяжение

Марка стали j Толщина ¡ образца, j мм i i i ! Ширина Т образца,{ мм { Предел ; текучее-, ти, МПа j Модуль упругости, МПа "Г ! 1 ! Предельное удлинение,

Ст-3 3,23 20 247,41 27,6

Для изучения механических характеристик применяемой арматуры были изготовлены образцы в виде отрезков стержней и канатов К-7 в соответствии с ГОСТ 12004-81.

Стержневая арматура класса А-4П испытывалась на растяжение в испытательной машине ИМ-4А. Деформации измеряли двумя экстензомет-рами на базе 100 мм. Характеристики определяли в соответствии с ГОСТ 12004-81.

Результаты испытания, средние по трем образцам, приведены в табл.3.

Таблица 3

Механические характеристики стержневой арматуры

Класс арматуры ¡Длина ¡Диа- ¡Плот- ¡Площадь ¡Предел ¡образ-(метр,¡ность,¡сечения,¡текучес-¡ца, мм ¡мм ¡j^a^ ¡^ ¡ти, МПа lili i ¡Модуль ¡ -¡упругое- i ¡ти, МПа ¡ t i í %

А-Ш 772,5 20 7850 314,15 395,1 2-IC5 13

Образцы высокопрочных канатов К-7 испытывались на растяжение по той же методике на разрывной машине Р-50.

Основные характеристики канатов (К-7) определены в соответствии с ГОСТ 1497-84. Средние результаты испытаний представлены в табл.4.

Таблица 4

Механические характеристики канатов К-7

Класс ! Диаметр,! арма- | мм } туры | 1 1 Длина образца, мм Площадь ¡ сечения,j мм2 ! ! Условный предел текучести, МПа Модуль упругости, МПа

К-7 15 772,5 141,6 Г 308 1,77'Iíf

Все образцы изготовлялись из одинакового бетона. Состав бетонной смеси для всех образцов (кг/к?) приведен в табл.5.

Таблица 5

Составляющие бетонной смеси

Класс бетона "1—z-Г ¡ Песок, j i № i Щебень, ! кг } Цемент, ¡ кг j В/Ц

В 40 708 1190 405 0,42

Образцы твердели в нормально-влажностных условиях, без пропарки.

Для контроля прочностных и упругих свойств бетона было изготовлено 6 призм и 9 кубов, хранившихся вместе с основными образцами.

Испытание образцов производилось в соответствии с ГОСТ 24452-80 в возрасте 300-330 суток. Контрольные образцы (кубы и призмы) испытывались перед началом и после завершения испытаний основных опытных образцов. Перед испытанием образцы осматривались, устранялись имещиеся на них дефекты, измерялись линейные размеры в соответствии с ГОСТ 10180-78. Плотность бетона определяли в соответствии с ГОСТ 12730.1-78. Для снижения влияния краевого эффекта торцы призм заделывались в стальные оголовники с помощью высокопрочного мелкозернистого бетона.

Средняя кубиковая прочность применяемого бетона составила 42,19 МПа при переходе на эталонные кубы. Коэффициент вариации бетона составил 6,0 %.

Деформации призм при нагружеяии измерялись тензорезисторами с базой 50 мм и индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Тензорезисторы ставились крестообразно по всем четырем граням призм. Отсчеты регистрировались с помощью тензостанции АИД-4. Индикаторами измерялись только продольные деформации на базах 200 либо 250 мм.

Средняя опытная призменная прочность составила 40 МПа. Нагру-жение основных опытных образцов осуществлялось с помощью гидравлического пресса П-500. Ступени нагрузки составляли 0,1 от ожидаемой разрушающей. Первые и последние (перед разрушением) ступени уменьшались вдвое. Выдержка для снятия отсчетов на кавдой ступени нагрузки длилась 4-5 мин. Общая продолжительность испытания одного образца до разрушения составляла 60-80 мин.

Измерение деформаций образцов осуществлялось с помощью 4-х индикаторов часового типа с ценой деления 0,001 на базе 400 мм и 8-ми тензорезисторов с базой 20 мм. Показания тензорезисторов фиксировались автоматическим измерителем деформаций АИД-4.

Предельные усилия в образце фиксировались по показаниям сило-измерителя пресса. Запредельное усилие по разрушению принималась максимальная нагрузка на образец. Предельное усилие по текучести металла трубы определялось по остаточной деформации, равной 0,2 %, как это делается при определении условного предела текучести металлов, не обладающих выраженной площадкой текучести.

Результаты испытания прочности композитных сталебетонных образцов как с неармированным, так и с армированным бетонным ядром (основные опытные образцы) приведены в табл.6.

Таблица 6

Несущая способность сталебетонных и сталежелезобетонных

образцов

-!-

Ин- 1коли-декс '.чест-об- !во разца'.стерж-!ней

I

-!-!-!-

Вид !Диа- 'Площадь Шлощадь арма-!метр ¡сечения '.сечения туры !арма-!армату- !бетонно-!туры,}ры. !го ядра, »-2

й пп

|ШГ

Предельное '.Макси-усилие '.мальное по теку- '.усилие, чести, кН !нН

/1(у :

I 1-0 - - - - 336,53 2375 2805

2 1-00 - - - - 336,53 2550 2990

3 1-4 4 А-Ш 20 1256,6 323,96 2775 3350

4 1-6 6 А-Ш 20 1884,9 317,68 2975 3490

5 1-€ 8 А-Ш 20 2513 ,2 311,40 3250 3610

6 1-10 10 А-Ш 20 3141,6 305,18 3450 4070

7 2-4 4 К-7 15 566,4 330,87 2470 3290

8 2-6 6 К-7 15 849,6 328,04 2725 3700

9 2-8 8 К-7 15 1132,8 325,21 2950 4170

10 2-10 10 К-7 15 1416,0 322,37 3125 4350

II 2-0 - - - - 336,53 2587 2995

12 2-00 - - - - 336,53 2600 2960

Зависимость между несущей способностью сталежелезобетонных образцов и процентом армирования стержневой или канатной арматурой показаны на рис.1.

Анализ результатов экспериментов показал, что на первых этапах нагружения до 50 % усилия от разрушающего деформирование армированных образцов происходит почти линейно. Существенная нелинейность деформирования наблюдается при нагрузках, равных 70-80 % от разрушающих.

Стержневая продольная арматура в бетонном ядре сталебетонного элемента достигает предела текучести.

Канатная высокопрочная арматура в бетонном ядре сталебетонного элемента при тонкостенной трубе не достигает предела текучести.

Стержневая продольная арматура существенно повшает модуль деформации армированного сталежелезобетонного элемента.

При деформировании сталежелезобетонных элементов, армированных высокопрочной витой канатной арматурой, наблюдаются значитель-

ш

то

звоо

2500

1500

/ / / ! К-7 / / а/ / / р

/а ^^ яж

10

Рис.1. Зависимость между процентами армирования бетонного ядра стержневой (нижние кривые), высокопрочной канатной (верхние кривые) арматурой и предельными усилиями в сталежелезобетонном элементе по условиям текучести (сплошная линия) и по разрушению (штриховая линия)

ные поперечные деформации вследствие "эффекта раскручивания" арматуры при её осевом нагружении сжимающей силой, а модуль деформации фактически не возрастает.

Армирование бетонного ядра сталежелезобетонных элементов существенно повышает продольные предельные деформации, очевидно, вследствие проявления закритического деформирования бетона по нисходящей ветви кривой деформаций, которая имеет место при деформировании бетонной среды в системе с более жесткими элементами, в нашем случае с продольной арматурой.

Продольное армирование ядра сталебетонных элементов существенно повылает их несущую способность, поэтог/у оно целесообразно в тех случаях, когда возникает необходимость сокращения размеров поперечных сечений сталебетонных элементов при больших значениях продольных сжимающих сил.

Разрушение сталежелезобетонных, как и сталебетонных образцов происходило от скола по наклонной плоскости бетонного ядра независимо от наличия или отсутствия в нем арматуры. Главной причиной скола бетонного ядра является не отсутствие продольного армирования, а недостаточное боковое давление вследствие тонкостенности стальных труб, что имело место в испытанных образцах.

В третьей главе дается обобщение полученных экспериментальных результатов.

За основу расчета сталежелезобетонных элементов ниже принят метод д.т.н. профЛ.КЛукши. В соответствии с этим методом расчетная формула для определения несущей способности сталежелезобетонно-го элемента при сжатии принимает вид

+ + ; (I)

где - призменная прочность, принятая по результатам испытания . контрольных призм;

А - коэффициент эффективности бокового давления стальной трубы в предельном состоянии.

В расчетах принималось среднее значение К = 4. В более общем виде он может определяться по гиперболической форгдуле Л .К Лукши

+ . (2)

Здесь и в формуле (I) (Зв - боковое давление трубы на бетонное ядро

=0.5 - коэффициент Пуассона бетона ................

в предельном состоянии; отношение наружного диаметра стальной трубы к внутреннему; то есть относительная толщина стенки трубы;

- коэффициент Пуассона стали трубы, равный 0,5 в предельном состоянии;

- осевое расчетное сопротивление трубы с учетсм её работы в трансверсальном направлении

2

(4)

- площадь поперечного сечения стальной трубы; ^ - предел текучести (условный) продольной сжатой арматуры; Д' - площадь поперечного сечения сжатой арматуры.

Для сравнения расчеты производились так же по методу суперпозиции.

Сравнение расчетных значений по формуле (I) с опытными приведено в табл.7.

Таблица 7

Сравнение расчетных значений с опытными

№ пп

Индекс,' Расчетные { образ-: значения |

гто * -

ца

Опытные результаты и сравнение расчета с опытом

Ш, «У ЩлЩ^Ь!

8

1 1-0 2509,34 2375 1,06 2805 0,85 1,12

2 1-00 2509,34 2550 0,98 2990 0,85 1,19

Продолжение табл.7

I 2 3 4 5 6 7 8

3 1-1 2912,12 2775 1,05 3350 0,83 1,15

4 1-6 3113,52 2975 1,01 3490 0,85 1,12

5 1-8 3314,93 3250 1,02 3610 0,90 1,09

6 1-10 3516,86 3450 1,02 4070 0,85 1,16

7 2-4 3 207.95 2470 1,30 3290 0,75 1,02

8 2-6 3557,27 2725 1,30 3700 0,74 1,04

9 2-8 3906,57 2950 1,32 4170 0,71 1,06

10 2-10 4255,90 3125 1,36 4350 0,72 1,02

II 2-0 2509,34 2587 0,97 2995 0,86 1,19

12 2-00 2509,34 2600 0,97 2960 0,88 1,18

Из табл.7 видно, что сходимость расчета с опытом для неармиро-ванных сталебетонных образцов, а также армированных стержневой арматурой сталежелезобетонных образцов весьма высокая. Это свидетельствует о приемлемости рекомендуемого метода к расчету и проектированию сталежелезобетонных образцов, армированных стержневой арматурой.

Для случая армирования бетонного ядра канатной арматурой сходимость менее удовлетворительная. Расхождение обусловлено тем, что в этом случае высокопрочная сталь не достигает условного предела текучести. Как видно из таблицы, превышение расчета над опытом да я рассмотренных, процентов армирования в среднем составляет 32 %, причем отклонения расхождений от среднего весьма невелики. Поэтому расчет сгалежелезобетона с армированным канатами К-7 ядром можно вести так же по рекомендуемому методу (формула (I)) с введением понижающего коэффициента. В этом случае расчетная формула (I) запишется следующим образом

Ш=)Дц - (5)

где ^ - опытный коэффициент, понижающий расчетную несущую способность по условной текучести сталежелезобетонного образца. В нашем случае ^ =0,75.

Рассмотрен расчет сталебетонных и сталежелезобетонных образцов по методу суперпозиции,который

широко применяется в теории железобетона. С целью сравнения обоих методов приводится табл.8.

Таблица 8

Результаты расчета прочности образцов по обоим методам

■-1——----г-1-1---

Индекс { Расчет по мето- Расчет по мето- | Опытное , , / Л/У образца| ду автора | ДУ суперпозиции | у # ] //У£Жр

; /Ух/, «Н ; А/А , кн

1-0 2509,34 1873,93 2375 1,06/0,79

1-00 2509,34 1873,93 2550 0,98/0,73

1-4 2912,12 2320,15 2775 1,05/0,84

1-6 3113 ,52 2543,26 2975 1,04/0,85

1-8 3314,93 2766,40 3250 1,02/0,85

1-10 3516,86 2989,79 3450 1,02/0,87

2-4 32(77,95 2592,13 2470 1,30/1,05

2-6 3557,27 2951,22 2725 1,30/1,08

2-8 3906,57 3310,31 2950 1,32Д ,12

2-10 4255 ,90 3669,42 3125 1,36/1,17

2-0 2509,34 1873,93 2585 0,97/0,72

2-00 2509,34 1873,93 2600 0,97/0,72

В последней графе табл.8 даны отношения расчетных значений по обоим методам к опытным значениям, полученным в эксперименте. Как и следовало ожидать, метод суперпозиции существенно занижает расчетные значения для сталебетонных образцов и для сталежелезобетонных со стержневым армированием. Занижение достигает 28 % при среднем значении, составляющем 15 % для сталежелезобетонных образцов. Формула (I) дает весьма удовлетворительные результаты дяя этих образцов.

Сравнение расчетных данных по формуле (5), то есть с понижающим коэффициентом. О с опытным приведено в табл.9-.

Таблица 9

Сравнение расчета по формуле (5) с опытом для канатного армирования сталебетонных образцов

Индекс | Расчет по ( Расчет по 1 Опытные

образ- { формуле (5) | методу су-ца ( у , й перпозиции

I ^ ! /2 , кн

»

!

N.

-г

У , кН !

/ к9

ехр

ор

МЛ /

I 1 2 \ 3 ! 4 ! 5

2-4 2405,9 2592,13 2470 0,97 Д ,05

2-6 2667,9 2951,22 2725 0,98/1,06

2-6 2929,9 3310,31 2950 0,99 Д ,12

2-10 3191,9 3669,42 3125 1,02/1,17

Среднее квадратичное отклонение „Г =0,0216/Г=0,0518 Коэффициент вариации "¡Г = 2Д8 % /|Г =4,69 %

Как следует из последней колонки табл.9 для образцов, армированных канатами К-7, формула (5) дает расчетные данные очень близкие к опытным. Различие составляет несколько процентов, причем в основном с запасом прочности. Метод суперпозиции завшает расчетные значения и тем больше, чем выше содержание канатной арматуры.

Таким образом, проблему расчета прочности армированного сталебетона в первом приближении можно считать решенной. Для более широкого диапазона армирования требуется накопление опытных данных с тем, чтобы опробировать предложенные методы расчета и для других видов армирования.

В третьей главе приводится пример расчета прочности сталеже-лезобетонного элемента, армированного канатной арматурой.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

I. Научная общественность во многих странах мира проявляет интерес к поведению сталежелезобетонных элементов (с армированным

бетонным ядром), однако проблема их расчета и проектирования до настоящего времени еще не была решена в должной мере, в частности не все вопросы деформирования и разрушения были изучены в должной мере.

2. Нашими экспериментами установлено, что на первых этапах нагружения примерно до нагрузок, составляющих 50 % от разрушающих, деформирование армированных образцов происходит почти линейно. Существенная нелинейность деформирования кривых деформаций наблюдается при нагрузках, равных 70-60 % от разрушающих.

3. Стержневая армааура в сталежелезобетонном элементе достигает предела текучести, а канатная высокопрочная арматура при тонкостенной трубе не достигает предела текучести.

4. Стержневая продольная арматура существенно повшает модуль деформации армированного сталежелезобетонного элемента, а канатная арматура, наоборот, может даже снижать средневзвешенный модуль деформации, при этом для тонкостенных труб в последнем случае характерны существенные поперечные деформации.

5. Армирование бетонного ядра сталебетонных элементов существенно увеличивает предельные деформации элементов вследствие проявления закритяческого деформирования бетона по нисходящей ветви кривой деформаций.

6. Продольное армирование ядра сталебетонных элементов существенно повышает их прочность, поэтому оно целесообразно при необходимости применения сжатых элементов высокой несущей способности.

7. Сколн бетонного ядра при разрушении сталебетонных элементов обусловлены не отсутствием продольной арматуры, а недостаточным боковым давлением из-за тонкоетенности применяемых стальных труб.

8. Предложенные методы расчета сталежелезобетонных элементов при центральном сжатии обладают достаточной точностью и могут быть рекомендованы для практического применения.

Основное содержание диссертации опубликовано в работе: luksha L.K., Sweid 0., Yefimenlco V.l. "Reeearch of bearing capability of steel-reinforced concrete composite elements".// Steel-concrete composite structures. Proceedings of the 4th ASOC international conference. - Bratislava: Expertcentrum, 1994. - pp. 4-11-4-14.

РЕЗЮМЕ Суид Омар

Прочность армированных сталебетонных элементов при центральном сжатии

Ключевые слова: сталебетон, сталежелезобетон, стержневая арматура, эталонная прочность бетона, коэффициент вариации, высокопрочная канатная арматура, бетонное ядро, стальная труба, несущая способность, прочность, деформативность, расчет.

Исследована работа армированных сталебетонных элементов при осевом центральном сжатии. Армирование опытных образцов выполнялось стержневой (первая серия) и канатной (вторая серия) арматурой К-7.

Сталежелезобетонные образцы армировались четырьмя, шестью, восемью и десятью стержнями арматуры класса А-Ш или канатами К-7.

Контроль прочности и деформативности бетона осуществлялся путем испытания стандартных кубов и призм. Сталежелезобетонные образцы испытывались на прессе П-500 статической нагрузкой. Деформации измерялись индикаторами часового типа и тензорезисторами. Как показали испытания, армирование бетонного ядра существенно повышает несущую способность сталежелезобетонного элемента. Модуль деформации заметно повидается только в образцах, армированных сталью А—Ш. Деформирование образцов с арматурой К-7 обладало некоторыми особенностями. Во-первых, возрастали поперечные деформации. Во-вторых, снижался модуль деформации образца по сравнению с таковым для стержневого армирования. В третьих, установлено, что канатная арматура в отличие от стержневой не достигает предела текучести при разрушении.

Разработаны методы расчета прочности сталежелезобетонных образцов для армирования обоих видов. В основе их лежит фундаментальный метод расчета сталебетонных элементов профессора Л.КЛукши. Расчетные предложения сравниваются с полученными опытными данными.

Отклонения расчета от опыта оказались незначительными.

Сделаны выводы об эффективности применения армирования бетонного ядра сталебетонных элементов стержневой или канатной арматурой и о возможности расчета их прочности (несущей способности) с помощью разработанных в диссертации рекомендаций.

Р Э 3 Ю Н Е

Су 1д Амар

Трываласць арм1раваных сталебетонных элементау при цэнтральным сц1сканн1

Клячавыл словы: сталебетон, сталежалезабетон, стрыхневая арматура, эталонная трываласць бетона, каэф1-цыеит варыяцы\, высокатрывальная канатная арматура, бетоннае ядро, стальная труба, нясу-чая здольнасць, трываласць, дэфарматыунасць, разл1к.-

Даследавана праца арм1раваных сталебетонных элементау пры во-севым цэнтральным сц1сканнЬ Арм1раванне вопытных узорау выконвала-ся стрыжнявой /першая серыя/ 1 канатнай /другая серыя/ арматурай К-7,

Сталехалезабетонныя узоры арм1равал1ся чатнрма, шасцп, васьмю 1 дзесяццю стружням1 арматуры класу А-Ш ц1 канатам1 К-7.,

Кантроль трываласц! I дэфарматыунасц1 бетона ажыццяуляуся шля-хаи выпрабавання стандартных кубоу 1 прызмау^ Сталежалезабетонныя узоры выпрабоувал1ся на прэсе П—500 статыстычнай нагрузкам, Дэфарма-цы1 вымяралия 1ндыкатарам1 часовага типу 1 тэнзарэз1стараи1У Як паказал1 выпрабаванн1, ари1раванне бетоннага ядра 1стотн& павяд1ч-вае нясучую здольнасць сталежалезабетоннага элемента, Модуль дэфар-мацы1 прыкметна павял1чваецца тольк1 ва узорах, арШраваных сталлв А-Ш,- Дэфармаванне узорау з арматурай К-7 валодала некаторым1 асаб-л1васцям1. Па-першае, павял1чвал1ся папярэчныя дэфармацш. Па-другое, зн1жауся модуль дэфармацы1 узору у параунанн1 з так1м жа для стрыж-невага арм1равання, Па-трэцяе, устаноУлена, што канатная арматура у адрозненне ад стрыжнявой не дасягае мяжы цякучасц1 пры разбуранни

Распрацаваны метады разл1ку трываласц1 сталежадезабетонных узорау для арм1равання абодвух в1дау, У аснову 1х пакладзены фундаментальны метад разл1ку сталебетонных элементау прафесара Л.К.Лукшы, Разл1ковыя прапановы парауноуваюцца з атрыманым1 вопытным1 дадзе-НЫМ1 ,

Адх1ленн1 разлиу ад вопыту аказалия нязначным1.

Зроблены вывады аб эфектыунасц! прымяненкя арм1равання бетоннага ядра сталебетонных элементау стрыжнявой ц1 канатнай арматурай 1 аб магчымасц1 разл1ку 1х трываласц1 /нясучай здольнасц1/ з дапамо-гай распрацаваных у дысертацы! рэкамендацый.

SUMMARY Sweid Omar

STRENGTH OP REINFORCED STEEL CONCRETE ELEMENTS UNDER CENTRAL COMPRESSION

Key words: steel-concrete, steel-reinforced concrete, reinforced bar, standard concrete strength, variation coefficient strengthened rope, concrete core, steel-tube, bearing properties, strength, deformation, calculation.

There is investigated behaviour of steel-reinforced concrete elements under axial central compression. The experimental specimens reinforcement was carried out by strengthened bars (first group) anc by K-7 strengthened rope (second group).

The steel-reinforced concrete specimens, were strengthened by foui six, eight and ten bars of A-Sh class or by K-7 rope.

The concrete strength and deformability was controled by teats of the regular cubes and priBms. The steel-reinforced concrete specimens were tested under the P-500 pressing unit by static load. The deformations were measured by clock-type indicating devices and by tenso-resistors.

As the tests have shown, the strengthened concrete core eignifi-cally increases the bearing properties of the steel reinforced eleme The deformation modulus' increasing was noticeably seen only in specimens reinforced by K-3h(-steel bare. Deformation of.specimens rein forced by K-7 rope had some particulars. Firstly, the diametrical deformations were increasing. Secondly, the specimen's modulus defor mation was decreasing is ccmperi»on with the reinforced bar one. Thirdly, it was found out that rope reinforcement in contrast to bar type dasn't attain the yield limit at the destruction.

There are elaborated calculating methods of the steel-reinforced concrete specimens' strength for both types of reinforcement. They are based on the fundamental calculating method for steel-concrete elements developed by Professor L.K. Luksha.

The estimated propositions are compared with received experimenta; data. The difference between calculation and experiment is minimal.

The calculations are made on using efficiency of the concrete core strengthening of the steel-concrete elements by bar or rope reiforcement and on possibility of the calculation of their strength (bearing properties) on the base of elaborated recommendations in ths Dissertation.