автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность железобетонных балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами



На правах рукописи

А

Панков Александр Викторович

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ С РАЗЛИЧНЫМИ КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Пенза 2011

1 4 АПР 2011

4843819

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства"

Научный руководитель

технических

Кандидат профессор

Гучкии Игорь Сергеевич

наук,

Официальные оппоненты

Ведущая организация

Доктор технических наук, профессор Овчинников Игорь Георгиевич

Кандидат технических профессор

Кузин Николай Яковлевич

наук,

Самарский государственный архитектурно-строительный университет (кафедра "Железобетонные конструкции")

Защита состоится "22" апреля 2011 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.01 в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства по адресу: 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, д.28, корп. 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Автореферат размещён на официальном сайте университета WEB: www.pguas.ru.

Автореферат разослан "21" марта 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ДМ 212.184.01

С.В. Бакушев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

Железобетонные балки входят в разряд наиболее ответственных несущих конструкций. Им уделяется особое внимание при обследовании зданий и сооружений. В последние годы инженерная служба сталкивается с серьёзной проблемой при формулировании заключений о безопасной эксплуатации железобетонных стропильных балок. Это связано с увеличенной по действующему СНиП 2.01.07-85* расчетной снеговой нагрузкой, на которую они не были рассчитаны. Кроме того, из-за перепрофилирования многих производственных зданий на выпуск продукции, где вместо мостовых кранов требуются подвесные краны, расчетные нагрузки на стропильные балки ещё более увеличиваются. Следует отметить, что стропильные балки, как правило, имеют большой коэффициент армирования, что делает неэффективным традиционное усиление, например предварительно напряжёнными затяжками, из-за вероятности переармирования.

Существуют различные конструктивные решения по усилению железобетонных балок. Наиболее распространёнными являются упругая опора, или подводимая снизу стальная балка, предварительно напряжённая затяжка и шпреигельная система. Но наряду с достоинствами эти конструкции не лишены недостатков, что ограничивает область их применения. Недостатками подводимой стальной балки являются чрезмерный расход металла на балку и устройство элементов, воспринимающих её опорные реакции, а также увеличение суммарной толщины перекрытия. К недостаткам предварительно напряжённой затяжки относятся снижение эффекта усиления при увеличении коэффициента армирования и незначительное повышение жёсткости балки. Это же относится к шлренгельной системе. Кроме того, шпренгель существенно нагружает сжатую зону, вызывая, при невысоком классе бетона, необходимость вовлечения в работу дополнительных стальных элементов.

Таким образом, возникает потребность в усилении стропильных балок и разработке надёжной, технологичной и экономически целесообразной конструкции усиления.

Целью диссертационной работы является разработка эффективной конструкции усиления железобетонных балок на базе существующих технических решений, не требующей устройства вспомогательных опорных элементов и позволяющей значительно повысить прочность и жёсткость балки в широком диапазоне значений коэффициента армирования. Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи: - выполнить анализ существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок, выявить их положительные и отрицательные стороны;

- провести физический эксперимент на железобетонных балках с целью выявления характера их напряжённо-деформированного состояния, схем разрушений и величин разрушающих нагрузок до и после усиления;

- разработать алгоритм расчёта усиленных балок, учитывающий параметрические особенности конструкции усиления и физическое состояние балок;

- провести численные исследования влияния параметров конструкции усиления на напряжённо-деформированное состояние, прочность и жёсткость усиленных балок;

- выполнить сравнительный анализ нового конструктивного решения по усилению балок с существующими. В случае положительного результата сравнения и целесообразности применения новой конструкции разработать рекомендации по её наиболее эффективному и рациональному использованию.

Научную новизну работы составляют:

- новая конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система). Система состоит из горизонтальной затяжки, выполненной из стальных профилей с приваренными по концам стержнями с нарезкой, и закреплённых к стальным профилям вертикальных стержней с нарезкой, на которые устанавливаются поперечные траверсы, являющиеся упругими (податливыми) опорами для усиливаемой балки. Устройство подвешивается на балку с помощью двух П-образных хомутов - подвесок, положение которых определяется расчётом. Комбинированная система включается в работу за счёт действия предварительного напряжения в горизонтальной затяжке и упругих (податливых) опорах. В зависимости от степени нагружения балки создается отрицательный или уменьшается положительный изгибающий момент, тем самым значительно повышаются прочность и жёсткость балки;

- полученные экспериментальные данные о совместной работе усиленной балки и комбинированной системы при изменяющихся конструктивных параметрах — положении подвесок и количестве промежуточных упругих опор;

- выявленные зависимости напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости усиленных балок от положения подвесок и количества промежуточных упругих опор;

- разработанный алгоритм расчёта усиленных комбинированной системой балок, основанный на решении задачи методом сил классической строительной механики с итерационным уточнением искомых параметров с учётом физической нелинейности задачи;

- установленный диапазон коэффициентов армирования балок, при котором использование комбинированной системы наиболее целесообразно.

Автор защищает:

- результаты аналитических исследований существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок;

- новую, подтверждённую патентом РФ конструкцию усиления железобетонных балок (комбинированная система), состоящую из горизонтальной затяжки, выполненной из стальных профилей с приваренными по концам стержнями с нарезкой, поперечных траверс, устанавливаемых на приваренных к стальным профилям вертикальных стержнях с нарезкой и являющихся для усиливаемой балки упругими (податливыми) опорами, и двух П-образных хомутов (подвесок);

- методику испытаний и результаты экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости железобетонных балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами;

- итерационный алгоритм расчёта усиленных железобетонных балок, учитывающий физическую нелинейность задачи;

- результаты численного исследования балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами;

- методические и практические рекомендации по усилению железобетонных стропильных балок комбинированной системой в зависимости от коэффициента армирования и требуемого коэффициента усиления - отношения разрушающих нагрузок, воспринимаемых балкой после и до усиления.

Практическая значимость работы:

- разработана новая конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система), позволяющая существенно повысить прочность и жёсткость балки при полной и частичной разгрузке, рассчитанная на использование при реконструкции производственных зданий и сооружений;

- разработаны итерационный алгоритм и программа расчёта для ПЭВМ усиленных балок на разных стадиях нагружения с учётом образования и развития трещин;

- даны методические и практические рекомендации по усилению стропильных балок комбинированной системой, выявлен диапазон её эффективного применения с учётом коэффициента армирования и требуемого коэффициента усиления;

- результаты исследований используются при проектировании усиления железобетонных балок, эксплуатируемых в производственных зданиях г. Пензы и Пензенской области.

Апробация работы в публикации.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Строительные конструкции" ПГУАС, международных научно-технических конференциях "Эффективные строительные конструкции: теория и практика" (г. Пенза, ПГУАС, 2004, 2006, 2007 гг.); международной научно-практической конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах" (г. Пенза, ПГУАС, 2007 г.); международной научно-практической конференции "Города России: система взаимодействия человек - здания и сооружения" (г. Пенза, ПГУАС, 2009 г.);

По теме диссертации опубликовано 11 статей, в том числе 2 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК. Получен патент на изобретение №2359094 от 24.09.2007 г.

Автор искренне благодарен заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору Т.Н. Барановой; канд. техн. наук, профессору В.В. Черячукину за помощь, ценные советы, замечания и полезные консультации.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и указателя использованной литературы. Текст изложен на 150 страницах, проиллюстрирован 105 рисунками и 10 таблицами. В указателе литературы содержится 130 отечественных и переведённых источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введеиии обосновывается актуальность выбранной темы, формулируются задачи и раскрывается практическая значимость работы.

Техническое перевооружение и реконструкция действующих предприятий - одно из главных направлений развития и обновления производственных фондов нашей страны.

Поскольку реконструкция касается прежде всего старых цехов и заводов, то часто приходится не только заменять, но и усиливать существующие конструкции, изменяя их расчётную схему и напряжённое состояние.

Вопросам обследования, оценки эксплуатационных качеств и усиления строительных конструкций посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых - Н.М.Онуфриева, В.В.Пиняджана, А.Д.Струпкина, Е.Р.Хило, М.Д.Бойко, В.К.Соколова, В.Н.Кутукова, И.Г.Овчинникова, В.Д.Топчия, К.К.Нежданова, А.И. Бедова, А. Лосье, D.T. Borovvicz и др.

Накопленный опыт даёт возможность критически оценивать имеющиеся конструкции усиления и ставить задачи по их совершенствованию.

В первой главе освещаются проблемы эксплуатации стропильных балок в производственных зданиях, приводятся оценка состояния балок и обзор конструктивных решений по их усилению, формулируются цели и задачи диссертационной работы.

Описываются характерные дефекты и повреждения железобетонных балок, а также даётся оценка степени их разрушения по виду, характеру образования и раскрытия трещин.

Отмечается, что к настоящему времени накоплен значительный опыт усиления железобетонных конструкций. При этом проектировать усиление бывает не менее сложным, чем разрабатывать новые конструкции. Это объясняется тем, что в каждом конкретном случае приходится сталкиваться с особенностями работы и состоянием эксплуатируемых конструкций, наличием трещин, коррозией арматуры и пр., а также следует отметить недостаточное количество инструктивных материалов по усилению и работ, обобщающих опыт усиления или результаты экспериментальных исследований в этой области.

Приводится критический анализ традиционных устройств для усиления железобетонных балок, среди которых жёсткие и упругие опоры, горизонтальные затяжки и шпренгели, подвариваемые дополнительные стержни и др.

Обосновывается необходимость разработки новой конструкции для усиления железобетонных стропильных балок, более эффективной в сравнении с существующими.

Схема программы экспериментальных и теоретических исследований балок, усиленных комбинированной системой, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема программы исследований

Во второй главе рассматриваются опалубка и схема армирования опытных балок, конструкция комбинированной системы усиления, а также приводится программа экспериментальных исследований.

Эксперименты проводились на железобетонных балках прямоугольного сечения, выполненных из тяжёлого бетона класса В15, Rb =0,75R=14,85 МПа, Еь=20500 МПа.

Балки изготавливались двух серий - БС1 размерами 50x100x980 мм и БС2 размерами 120x220x3000 мм, различавшихся значениями коэффициента армирования, равными 0,012 и 0,009 (0,017) соответственно.

В процессе испытаний балки усиливались комбинированной системой из стальных элементов, рис. 2.

а) и г

Т.. 1

л-

Л ...........7

а-а

6-6

в-в

б)

в)

Nu

Nu

■>4 -У Iх-

хи Хи

Л/., ! ■ Nu

Хи

Рис. 2. Усиление железобетонной балки комбинированной системой: а - схема усиления; б - характер деформирования балки под действием предварительно напряжённой затяжки; в - то же и от реакций, возникающих в упругих опорах; г - то же и от усилий в подвесках; 1 - затяжка (базовый элемент); 2 - подвески; 3 - промежуточные упругие опоры; 4 - торцевые балки (траверсы)

Конструкция усиления состояла из затяжки (базовый элемент), двух подвесок и промежуточных упругих опор, количество которых могло меняться от одной до трёх. Затяжка являлась предварительно напряжённой. Преднапряжение создавалось механическим способом с помощью специальных устройств, расположенных на торцах балки и под промежуточными опорами. Величина преднапряжения затяжки оценивалась по показаниям тензорезисторов и составляла примерно 0,1Я5„.

В программе эксперимента ставилась цель исследовать поведение балок, усиленных комбинированной системой, при различных положениях подвесок, количестве и расположении промежуточных упругих опор, соотношении жёсткостей балки и базового элемента (ш=Еь1ь/Еи 1„). Кроме того, требовалось изучить характер разрушения усиленных балок.

Балки серии БС1 усиливались двумя способами: системой с двумя промежуточными упругими опорами с различным положением подвесок и системой с постоянным положением подвесок и различным количеством промежуточных упругих опор. При этом: если была одна промежуточная опора, то располагалась в середине пролёта, если две - то расстояние между ними менялось, а расположение было симметричным относительно середины пролёта.

Балки серии БС2 усиливались системой с одной и двумя промежуточными упругими опорами при различных положениях подвесок.

Балки серии БС1 испытывались на универсальной силовой машине марки ГРМ-1, рис. 3,а; серии БС2 - на специально изготовленной силовой установке рамного типа, рис. 3, б, и нагружались с помощью гидравлического домкрата грузоподъёмностью 250 кН.

Нагрузка на балки от силовых механизмов в обоих случаях передавалась посредством распределительной траверсы в виде двух сосредоточенных сил.

Прогибы балок измерялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Деформации в элементах затяжки измерялись с помощью тензорезисторов и регистрировались прибором марки АИД-1м. Деформации в сжатом бето-

Рис. 3. Фрагменты испытания опытных балок в силовых установках: а - испытание балок серии БС1; б - испытание балок серии БС2

В третьей главе представлены последовательность операций по усилению балок и результаты физического эксперимента.

На первой этапе исследовались балки серии БС1.

Перед испытанием на подготовленную поверхность балки и элементов усиления - затяжки и подвески - наклеивались тензорезисторы. Через сутки после завершения полимеризации клея элементы комбинированной системы устанавливались на балку в проектное положение.

Вначале с помощью динамометрического ключа и гаек через траверсы, расположенные на торцах балки, производилось первичное натяжение затяжки напряжением, примерно равным 0,08115П, затем через траверсы промежуточных упругих опор с помощью гаек затяжка оттягивалась книзу, при этом напряжение в затяжке увеличивалось до 0,Ш5П.

Нагружение балки производилось плавно ступенями, примерно равными 10% от ожидаемой разрушающей нагрузки. После каждой ступени делалась соответствующая выдержка, после которой балка и элементы усиления тщательно осматривались, снимались показания приборов.

Испытания усиленных балок серии БС1 показали, что на ранних стадиях нагружения, Р=(0,1-Ю,3)Рц>и1,, происходило обмятие бетона под траверсами, свидетельствующее о включении системы усиления в работу.

На всём диапазоне нагружения до величины Р=(0,8^0,85)Ри,„1, прогибы усиленных балок нарастали плавно, пропорционально росту нагрузки. Первые трещины с шириной раскрытия 0,05-Ю, 1 мм были вертикальными и появлялись снизу в средней части пролёта при относительной нагрузке Р^О^-ЧЩРц.иь При дальнейшем росте нагрузки количество трещин в средней трети пролёта возрастало, и ширина их раскрытия увеличивалась, достигая величины 0,2-Ю,5 мм при относительной нагрузке Р=(0,8-Ю,9)Ри „ц.

Непосредственно перед разрушением прогиб балок и ширина раскрытия трещин быстро росли, при этом в элементах комбинированной системы резкого увеличения деформаций (напряжений) не наблюдалось; затяжка продолжала функционировать, постепенно переходя из упругой в пластическую стадию работы.

Характер разрушения балок существенным образом зависел от расположения подвесок в системе усиления, а также от количества и положения промежуточных упругих опор.

При значительной раздвижке подвесок ЬП=0,875Ь и одной промежуточной опоре разрушение балки происходило по нормальной трещине на участке, расположенном между упругой опорой и сосредоточенной силой, сопровождалось раздроблением бетона сжатой зоны, текучестью затяжки и рабочей арматуры балки, рис. 4, а (БС1-4).

При раздвижке подвесок, ЬП=(0,438-Н,0)Ь, и двух промежуточных опорах, расположенных под сосредоточенными силами, разрушение балки также происходило по нормальной трещине в средней части пролёта

между сосредоточенными силами, рис. 4, б (БС1-1). Характер разрушения балки БС1-1 был аналогичным характеру разрушения балки БС1-4.

При максимальной раздвижке подвесок, ЬП=Ь, и наличии двух промежуточных опор, ЬОП=0,75Ь, эффект от усиления был минимальным, разрушение балки происходило по наклонному сечению вблизи основной опоры, рис. 4, в (БС1-6), при этом напряжения в затяжке и арматуре не достигали предела текучести.

Рис. 4. Характеры разрушений опытных балок серии БС1 (элементы усиления демонтированы)

Результаты испытаний усиленных балок приведены в табл. 1 и на рис. 5.

На втором этапе исследовалась работа трёх балок серии БС2, отличающихся от балок серии БС1 размером, величиной отношения Еь1ь/Еи.1и. и армированием. Кроме того, эти балки предварительно нагружались силой Р=(0,95-:-0,98)РЦ|1, при которой напряжения в рабочей арматуре были близки к нормативному сопротивлению, а ширина раскрытия трещин в средней части пролёта достигала величины 0,5-Ю,8 мм. Затем балки разгружались и усиливались комбинированной системой.

Последовательность работ по монтажу конструкции усиления, схема нагружения балок серии БС2 и время выдержки под нагрузкой были такими же, как и при испытании балок серии БС1.

Таблица 1

Результаты испытаний опытных образцов

Марка образца £ « я 5 X % о Прогиб балки, мм Разрушающая нагрузка, кН н <и

§ § •в- о ^ 5 ° 3 с о 8 <? с ч ^ ДО усиления после усиления до усиления после усиления а 5 ® я г> о о

* & а 2Рь.»1, 2Р„,„и ^

Балки серии БС1: >=800 мм, Ьо=280 мм, т=Еь1ь/ЕЛ= 2,66

БС1-1 2 0,375 1,0 0,88 30,0 2,0

БС1-2 2 0,375 0,875 0,93 28,5 1,9

БС1-3 0,012 2 0,375 0,438 3,42 1,15 15,0 25,5 1,7

БСЫ ] ... 0,875 1,3 27 1,8

БС1-5 3 — 0,875 0,92 31,5 2,1

БС1-6 2 0,75 1,0 1,93 16,2 1,08

Балки серии БС2: Ь=2800 мм, Ц,=800 мм, т=Еь1ь/Еи1ц= 1,11

БС2-1 0,009 1 ... 0,5 13,98 6,0 35 66,5 1,9

БС2-2 0,009 1 — 0,679 12,2 5,47 37,5 75 2,0

БС2-3 0,017 2 0,286 0,679 14,69 10,12 48,75 105 2,16

Примечания:

1 • 2Р„,и11 - величина разрушающей нагрузки усиленной балки.

2. 2Рь,пи - то же неусиленной балки (для балок серии БС1 - средняя величина по результатам испытаний трёх образцов).

3. Прогибы & (У соответствуют контрольной нагрузке, примерно равной (0,7*0,8) 2Рь,„|1, кратной принятой ступени.

Испытания показали, что наличие в усиленных балках первоначальных трещин, которые практически закрывались при натяжении затяжки, мало отразилось на общем характере деформирования балок под нагрузкой, а именно: прогиб усиленных балок на всём диапазоне нагружения до величины Р=0,85Ри,и1, нарастал равномерно, пропорционально увеличению нагрузки. Имеющиеся в балке трещины начали заметно раскрываться при нагрузке Р=(0,4-Ю,5)Рии1,. Ширина раскрытия трещин при нагрузке Р=0,8Рц,и), достигала величины 0,4^0,6 мм.

Характер разрушения усиленных балок серии БС2 при близких значениях величин отношений Ьоп/Ь и Ц/Ь практически не отличался от характера разрушений усиленных балок серии БС1, несмотря на то что

относительная жёсткость базового элемента затяжки ш и коэффициент

—БС1-1 --БС1-2 -Х-БС1-3

-о~усиланн,а>< балка ноусилонная балка

Рис. 5. Графики зависимостей прогибов усиленных балок от нагрузки: а - балки серии БС!; б - балка БС2-3

Анализируя в целом результаты испытаний усиленных балок, можно констатировать, что наиболее эффективное, из рассматриваемых вариантов, с точки зрения увеличения прочности и жёсткости усиление достигается при расположении подвесок у основных опор и при наличии трёх промежуточных упругих опор, расположенных в четвертях пролёта.

Конструкция комбинированной системы усиления надёжно работает на всём диапазоне нагружения балки, достигая предельного состояния по прочности с некоторым запаздыванием относительно исчерпания прочности усиленной балки.

В четвёртой главе рассматриваются графики расчётных деформаций сжатия бетона, растяжения арматуры и затяжки (рис. 6) для балки, усиленной в ненагруженном состоянии и доведённой до разрушения. Там

же для сравнения даются графики деформаций в предварительно нагруженной (до 0,6Ри|,). затем усиленной и доведённой до разрушения балке.

0.00 2

(Ты

0.002

Рис. 6. Графики деформаций арматуры (1), затяжки (2) и бетона: а - сопряжённая диаграмма растяжения арматуры и затяжки в усиленной балке; о - диаграмма деформаций бетона в процессе усиления балки и её нагружения до исчерпания прочности; в - сопряжённая диаграмма растяжения арматуры и затяжки в балке, предварительно нагруженной, усиленной и доведённой до разрушения; г - диаграмма сжатия бетона в балке, предварительно нагруженной, усиленной и доведённой до разрушения

Приводятся алгоритм расчёта усиленных балок и результаты численного эксперимента.

Для расчёта усиленной балки и нахождения неизвестных реакций, возникающих в комбинированной системе, использовался представленный ниже способ, основанный на решении задачи методом сил. Расчёт сводился к нахождению возникающих в промежуточных упругих опорах неизвестных реакций X, уточняемых итерационным путём с учётом нелинейности задачи. Основное и единичные состояния метода сил приведены на рис. 7.

Схеиа усиления балт

£3.

б)

Схеиа усиления балки

Основная сисгг.еиа метода сип

Основ не я системе метода сил

I I I иг Xt | иг i Т"

Í S— i f

lOl

тв±

X. I

4«!

I/V4

1 Д-wi т "у«1

J*.

-i/

f

I

Г/у:оеое состояние метода сЬл

; 1 Г 1

/ п-?-

ГрЬзобсе состояние иетойа сЬл

и

"Me"

-п. N ' \ JL

г üi Ш ?

! I! «! ! I

^чпгшгтрз*--!

I i "1/г" I I

l -i;! I I

Единичное состояние для усиленной балки

si

! "1/r" ¡

i_с

Единичное состояние для усиленной балки -I*-*

I

J_t

■к

I

i¡2_

Т-г

l LT.

"Мня"

—1-ттгптггттт-^

"1/г«а"

i

I i \ u i 1 L 1 i

I i I I ¡ "M™"¡ -rfíf!|IIIHIIII|Trtb. 1 1 1 I

I I I I \"1/rm'\ ^illillllllLv 1 1 1 1

Единичное состояние для базового злеиентз \Х<-I

Единичное состояние для базовоео элемента

I

•t

■f-

"M|w

! ¡"m>«"¡ ¡

'"-^JllilIHIlll^-1

-«сцдцщщв^-

Рис. 7. Основная система метода сил для балки, усиленной комбинированной системой: а - с одной промежуточной упругой опорой; б - с двумя промежуточными упругими опорами

Система канонических уравнений метода сил для балок, усиленных комбинированной системой с одной и двумя симметрично расположенными промежуточными упругими опорами, выглядит следующим образом:

о:1 -X, -!- О,

О »•. • '-Р 1 *

гдеА"] - искомая реакция, возникающая в промежуточной опоре; Д:р- перемещение железобетонной бшнеи по направлению силы Хь

вызванное внешней нагрузкой; (5;. - единичное перемещение от усилия складываемое из двух слагаемых - единичных перемещений базового элемента и железобетонной балки;

кривизны железобетонной балки от единичного и грузового загру-г- '' жений соответственно. Вычисление кривизны от грузового загружения ведётся согласно следующей методике:

^ = ■ М + В1: ■ Л';

здесь М- изгибающий момент, М = Л/..г + Р • еор;

Ы- продольная сила, N = +Мас. — Р; В„, коэффициенты, используемые при расчёте комбинированной

системы с одной и двумя упругими опорами;

В.. =__1—|-^--г+-

МпФ'к&г Г»

(1)

(2)

Используемые в формулах (1), (2) буквенные обозначения входящих параметров, а также способы их нахождения приняты в соответствии с указаниями СНиП 2.03.01-84*.

Для расчёта балок, усиленных комбинированной системой, разработана программа в среде "Ма^аЬ", блок-схема которой показана на рис. 8.

Результаты расчёта усиленных балок серий БС1 и БС2 приведены в табл.2.

Ввод исходных данных

X

Определение приведённых геом. характеристик сечения (АГиь Wred, Wpl)

z

Определение внутренних усилий в грузовом состоянии (МР)

Определение единичных моментов

Xi не учитывается, прогиЗ вычисляется без учёта усиления

Определяется прогиб fu

Определяется Х| от грузового загружения

I ZZ

¡=1

Определяются внутренние усилия IVU(i); Qok(i)

for ¡=2... n

IE

Определяется кривизна rp от max[M0k(i-l)]

Определение коэф.Д1р, Дгр

Определяется Xj(i)

Определяются Mok(i), Q0k(i)

IE

Определяется погрешность pogHXKO-X^i-lW/X^i)

£

Определяется максимальное значение M^i)

Вычисляются прочностные характеристики нормального сечения: напряжения в сжатом бетоне аь, в сжатой а5С и растянутой арматуре а,

Прочность балки по нормальному сечению не обеспечена

Проверяется прочность балки

на действие поперечных сил

Прочность балки

при действии поперечных сил не обеспечена

Расчёт базового элемента комб. системы

Прочность базового элемента

не обеспечена. Требуется увеличить жёсткость базового элемента

Определяется кривизна гр от max[Moi(i)]

I

Строится эпюра кривизны

Определяется прогиб f„

Рис. 8. Блок-схема программы расчёта усиленных бачок

Таблица 2

Результаты физического и численного экспериментов_

Марка образца ь„п/ь Прогиб балки, мм Коэффициент усиления Погрешность, %

экспериментальный теоретический экспериментальный теоретический ДСДк

£ К к,

Балка серии БС1

БС1-1 0,375 1,0 0,88 1,01 2,0 1,7 14,8/15

БС1-2 0,375 0,875 0,93 1,05 1,9 1,61 12,9/15,3

БС1-3 0,375 0,438 1,15 1,32 1,7 1,5 14,8/11,8

БС1-4 — 0,875 1,3 1,31 1,8 1,6 0,8/11,1

БС1-5 ... 0,875 0,92 0,98 2,1 1,8 6,5/14,3

БС1-6 0,75 1,0 1,93 2,18 1,08 1,02 13/5,6

Балки ссряи БС2

БС2-1 ... 0,5 6,0 5,95 1.9 1,63 0,8/14,2

БС2-2 ... 0,679 5,47 5,58 2,0 1,72 2,0/14

БС2-3 0,286 0,679 10.12 8,3 2,16 1,85 18/14,4

По итогам численного эксперимента сделаны следующие выводы:

- характер деформирования балок серий БС1 и БС2, усиленных комбинированной системой, при изменении конструктивных параметров в целом сохраняется, при этом значения прогибов при контрольной нагрузке отличаются от значений, полученных в ходе физического эксперимента, не более чем на 18%, что является приемлемым для инженерных расчётов;

- величины прочности усиленных образцов серий БС1 и БС2 незначительно отличаются от значений, полученных в ходе проведённых испытаний; расхождение расчётных и фактических значений коэффициентов усиления составляет не более 15,5 %;

- характеры разрушений образцов по результатам физического и численного экспериментов полностью совпадают.

В пятой главе приводятся результаты сравнительного анализа прочности балок, усиленных различными способами.

Рассматривалось усиление железобетонной балки предварительно напряжённой горизонтальной затяжкой, шпренгелем, стальной балкой и комбинированной системой. Основными критериями сравнения были коэффициент усиления (к=Ми,Ц1;/Мь иц) и расход материала на изготовление конструкции усиления ши. Здесь Ми.иц - предельный момент, воспринимаемый усиленной балкой; Мь,иц - максимальный момент, воспринимаемый сечением балки до усиления.

За аналог принималась балка прямоугольного сечения размерами ЬхЬ=250х600 мм пролётом 6 м, выполненная из тяжёлого бетона, армированная продольной арматурой класса А-Ш и нагруженная двумя сосредоточенными силами, расположенными в третях пролёта.

Результаты анализа показали, что использование комбинированной системы эффективно в балках со средним и высоким коэффициентами армирования. Это подтверждается графиками на рис. 9, из которых видно, что если коэффициент армирования низкий (ц=0,005), то коэффициенты усиления от использования горизонтальной затяжки и комбинированной системы практически одинаковые. С увеличением ц эффект от усиления затяжкой резко падает и при ц=0,024 приближается к нулю. В то же время коэффициент усиления комбинированной системой остаётся достаточно высоким (к=1,5-^-2,2).

Рис. 9. Зависимость коэффициента усиления к от коэффициента армирования балки при различном классе бетона: а - усиление горизонтальной затяжкой; б - усиление комбинированной системой

При усилении стальной балкой (упругая опора), рис. 10, коэффициент усиления на всём диапазоне исследуемых относительных жёсткостей оказался ниже, чем при усилении комбинированной системой, причём разница увеличивается с уменьшением значений т.

жёсткостей балки и стального проката (базового элемента):

1 - усиление комбинированной системой; 2 - усиление снизу балкой из стального проката (двутавром)

Расход металла ши на конструкции усиления в зависимости от р и к, приведённый в табл. 3, указывает на преимущества комбинированной системы при среднем и высоком значениях коэффициента армирования, ц>0,015, когда применение горизонтальной затяжки уже невозможно, а усиление стальной балкой неэффективно из-за чрезмерного расхода металла.

Таблица 3

Показатели расхода металла на усиление _

Коэф. армир. балки (д Коэф. усиления к Примерный расход металла ш„, кг Уд. расход металла кш= ш„ /к, кг

Стальная балка Горизонт, затяжка Шпрен-гель Комб. система

0,005 1,1 ... 33,7 37,7 60,7 55,2

1,3 — 37,5 54,5 64,5 49,6

1,6 — 47 64 74 46,25

2,0 ... 69,2 86,2 103,9 51,95

0,015 1,1 144 ... 93,8 124 112,7

1,3 291,6 ... 128,34 142 109,23

1,6 342 ... 188,5 117,8

2,0 — ... ... 232,5 116.3

0,024 1,1 250 ... ... 136 123,6

1,3 387 ... 160,4 123,4

1,6 — _ — 216,2 135,1

2,0 _ ... ... 269 134,5

Примечания:

1. В расходе металла на усиление стальной балкой не учтён металл, используемый

для устройства вспомогательных опорных конструкций.

2. При малом коэффициенте армирования (ц=0,005) базовый элемент комбинированной системы выполняется из стержневой арматуры.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Произведён анализ существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок, широко применяемых на территории РФ и стран СНГ. Выявлены их достоинства и недостатки. Обоснована необходимость разработки на базе существующих технических решений новой конструкции, предназначенной для усиления железобетонных стропильных балок производственных зданий.

2. Разработана новая, подтверждённая патентом РФ конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система), разгружающая балку за счёт совместного действия предварительно напряжённой стальной затяжки и упругих (податливых) опор, позволяющая значительно повысить прочность и снизить прогиб балки с различным коэффициентом армирования.

3. Экспериментом показано, что прочность и жёсткость усиленных балок существенно зависят от конструктивных параметров комбинированной системы. При смещении подвесок от середины пролёта к основным опорам прочность балки повышается, прогиб снижается. При изменении количества упругих (податливых) опор от одной до трёх и их положения при неизменном расстоянии между подвесками наибольший эффект даёт система с тремя расположенными в четвертях пролёта упругими опорами.

4. Предложен способ расчёта балок, усиленных комбинированной системой. Он основан на решении задачи методом сил классической строительной механики с использованием теории деформирования железобетона. На основе предлагаемого метода разработан итерационный алгоритм расчёта прочности и жёсткости усиленных балок, учитывающий физическую нелинейность железобетона.

5. Написана программа для ПЭВМ, позволяющая оценить степень влияния конструктивных параметров комбинированной системы на напряжённо-деформированное состояние, прочность и жёсткость усиленных балок.

6. Проведён численный эксперимент, в ходе которого выявлено влияние конструктивных параметров комбинированной системы на прочность и жёсткость усиленных балок. Сопоставление результатов численного и физического экспериментов показывает достаточную для практических инженерных расчётов сходимость. Погрешность вычислений не превышает 18 %.

7. Выполнен сравнительный анализ эффективности комбинированной системы с традиционными конструктивными решениями: упругой опорой, горизонтальной затяжкой, шпренгелем. Получены данные о расходе металла на конструкции усиления в зависимости от требуемого

коэффициента усиления, класса бетона и коэффициента армирования балки.

8. В результате сравнительного анализа определён диапазон значений коэффициента армирования балок, в интервале которого применение комбинированной системы наиболее целесообразно.

9. Результаты исследований используются при проектировании усиления железобетонных балок, эксплуатируемых в производственных зданиях г. Пензы и Пензенской области.

Основное содержанке диссертации представлено в следующих публикациях:

Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК

1. Гучкин, И.С. Проектирование усиления железобетонных стропильных балок комбинированной системой [Текст] / И.С. Гучкин, В.В. Черя-чукин, A.B. Панков // Вестн. Волгоградского гос. архит.-строит, ун-та. Сер.: Стр-во и архитектура. - 2010. - Вып. №17. - С. 9-13.

2. Гучкин, И.С. Железобетонные балки, усиленные комбинированной системой из стальных элементов [Текст] / И.С. Гучкин, A.B. Панков // Региональная архитектура и строительство. - Пенза: ПензГАСУ, 2010. -Вып. №2 (9).-С. 94-100.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях

3. Панков, A.B. К назначению метода усиления железобетонных балок в пролёте [Текст] / A.B. Панков, И.С. Гучкин // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2005. - С. 99-102.

4. Панков, A.B. Мониторинг строительных конструкций [Текст] / A.B. Панков, Д.Н. Сафронов, Т.И. Баранова, Г'.А. Фокин // Метод количественной оценки качества: сб. реф. докл. студ. НТК "Студенческая наука -интеллектуальный потенциал XXI века". - Пенза: ПГУАС, 2006.

5. Панков, A.B. Усиление железобетонных стропильных балок комбинированной системой [Текст] / A.B. Панков. И.С. Гучкин // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2006. - С. ¡90-192.

6. Панков, A.B. Анализ конструктивных решений по усилению стропильных балок в пролёте [Текст] / A.B. Панков, И.С. Гучкин // Студенческая наука - интеллектуальный потенциал XXI века: сб. реф. докл. студ. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, 2007. - С. 61.

7. Панков, A.B. К расчёту железобетонных балок, усиленных комбинированной системой [Текст] / A.B. Панков, И.С. Гучкин, В.В, Черячукин // Проблемы энергосбережения и экологии промышленных и жилищно-

коммунальных комплексов: сб. ст. VIII Междунар. науч.-практ. конф. — Пенза, 2007.-С. 152-155.

8. Панков, A.B. Применение метода акустической эмиссии к обследованию железобетонных балок [Электронный ресурс] / A.B. Панкол, Д.Н. Сафронов // III Междунар. студ. конф. "Образование, наука, производство" / ОНТИ БГТУ им. В.Г.Шухова. URL: conf.bstu.ru.

9. Панков, A.B. Недостаток конструкторских расчётов при проектировании строительных конструкций [Электронный ресурс] / A.B. Панков, Д.Н. Сафронов // III Междунар. студ. конф. "Образование, наука, производство" / ОНТИ БГТУ им. В.Г. Шухова. URL: conf.bstu.ru.

10. Панков, A.B. Результаты испытаний железобетонных балок, усиленных комбинированной системой из стальных элементов [Текст] / A.B. Панков, И.С. Гучкин // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: сб. ст. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2007. -С. 24-27.

11. Панков, A.B. Усиление железобетонных балок предварительно-напряжёнными затяжками [Текст] / A.B. Панков, И.С. Гучкин // Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф. - Пенза, 2010. - С. 72-75.

12. Пат. 2359094 Российская Федерация, МПК Е 04 G 23/02 С1. Устройство для усиления железобетонных балок [Текст] / Баранова Т.И., Гучкин И.С., Панков A.B.; патентообладатель Федеральное агентство по образованию. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет архитектуры и строительства".

Панков Александр Викторович

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСГЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК, УСИЛЕННЫХ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ С РАЗЛИЧНЫМИ КОНСТРУКТИВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 14.03.2011. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая белая. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0.

Заказ № 33. Тираж 110 экз.__

Издательство ПГУАС. Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул. Г. Тигова, 28. E-mail: postmaster@pgasa.com.ru

Введение

Глава 1. Оценка состояния железобетонных балок и обзор конструктивных решений по их усилению

1.1 Оценка состояния строительных конструкций

1.1.1 Характерные дефекты и повреждения железобетонных балок

1.1.2 Оценка степени разрушений железобетонных балок по характеру образования и раскрытия трещин

1.2 Обзор конструктивных решений по усилению железобетонных балок в пролёте

1.2.1 История развития методов усиления железобетонных конструкций. Классификация конструктивных решений по усилению железобетонных балок

1.2.2 Существующие конструкции и способы усиления железобетонных балок

1.2.3 Усиление железобетонных балок комбинированной системой

Выводы по главе

Глава 2. Экспериментальные исследования железобетонных балок, усиленных комбинированной системой

2.1 Программа экспериментальных исследований

2.2 Характеристики опытных образцов

2.3 Конструкции усиления

2.4 Силовые установки и регистрирующие приборы.

2.5 Методика проведения эксперимента. Конструктивные схемы усиления опытных балок

Глава 3. Анализ результатов экспериментальных исследований железобетонных балок, усиленных комбинированной системой.

3.1 Результаты испытаний балок серии БС

3.1.1 Результаты испытаний не усиленных балок серии БС

3.1.2 Результаты испытаний усиленных балок серии БС

3.2 Результаты испытаний балок серии БС

3.2.1 Результаты испытаний не усиленных балок серии БС

3.2.2 Результаты испытаний усиленных балок серии БС2 89 Выводы по главе

Глава 4. Исследование напряженно-деформированного состояния балок, усиленных комбинированной системой

4.1 Напряжения в арматуре и затяжке комбинированной системы

4.2 Программа проведения численных исследований

4.3 Метод расчета балок, усиленных комбинированной системой

4.4 Результаты поверочных расчётов экспериментальных балок, усиленных комбинированной системой

4.5 Результаты расчёта усиленных балок БС2-1,

4.5.1 Характер распределения внутренних усилий в балках БС2-1, 2 до и после усиления

4.5.2 Характер деформирования балок БС2-1, 2, усиленных комбинированной системой с одной промежуточной упругой опорой при различном положении подвесок

4.5.3 Характер деформирования балок БС2-1, 2, усиленных комбинированной системой с базовым элементом различной жёсткости.

4.5.4 Результаты расчёта прочности усиленных балок БС2-1,

4.6 Результаты расчёта усиленной балки БС2-3.

4.6.1 Характер распределения внутренних усилий в балке

БС2-3 до и после усиления

4.6.2 Характер деформирования балки БС2-3, усиленной комбинированной системой с двумя промежуточными упругими опорами при различном положении подвесок.

4.6.3 Характер деформирования балки БС2-3, усиленной комбинированной системой с базовым элементом различной жёсткости.

4.6.4 Результаты расчёта прочности усиленной балки БС2

4.7 Характер деформирования балок серии БС2, усиленных комбинированной системой с одной промежуточной опорой при различном коэффициенте армирования.

4.8 Характер деформирования балок серии БС2, усиленных комбинированной системой с одной промежуточной опорой при различном классе бетона. 129 Выводы по главе

Глава 5. Сравнительный анализ эффективности усиления балок комбинированной системой.

5.1 Усиление железобетонных балок промежуточной упругой опорой и комбинированной системой.

5.2 Усиление железобетонных балок предварительно-напряжённой затяжкой и комбинированной системой.

5.3 Усиление железобетонных балок шпренгельной затяжкой и комбинированной системой.

5.4 Расход металла на конструкции усиления.

5.5 Рекомендации по проектированию усиления железобетонных балок комбинированной системой

Выводы по главе 5.

т

С момента возведения здания оно подвергается различным внешним воздействиям. Это могут быть ветровые и снеговые нагрузки, неравномерная осадка фундамента, плохая гидроизоляция! Существенное влияние на разрушение материалов- оказывает радиационное солнечное воздействие, различные виды физической и химической коррозии, попеременные смены тепла и влажности, и т.д. Ко всему этому можно добавить ошибки, допущенные при возведении зданий и сооружений, наличие дефектов в используемых материалах. Очень опасными являются ошибки при проектировании конструкций, которые участились в последнее время из-за возрастающей сложности строящихся объектов. Серьезной ошибкой является несовпадение проектных и реальных условий эксплуатации конструкции. Кроме того, следует заметить, что огромное количество существующих зданий и сооружений, построенных в 60-е годы находится в критическом состоянии в связи с истечением срока эксплуатации и требуют немедленного капитального ремонта. [83]

Реконструкции действующих предприятий в настоящее время придается большое значение, так как это повышает эффективность капитальных вложений и ускоряет ввод новых мощностей.

Поскольку реконструкция касается прежде всего старых цехов и заводов, то часто приходиться усиливать существующие конструкции, изменяя их расчётную схему и напряжённое состояние.

Вопросам обследования и усиления строительных конструкций посвящены работы многих отечественных ученых - Н.М. Онуфриева, В.В.Пиняджана, А.Д.Струпкина, Е.Р.Хило, М.Д.Бойко, В.К.Соколова, В.Н.Кутукова, В.Д.Топчия, К.К. Нежданова, А.И. Бедова, А. Лосье, Б.Т. Вогошюг и др.

Накопленный опыт даёт возможность критически оценивать имеющиеся конструкции усиления и ставить задачи по их совершенствованию.

Стропильные балки входят в разряд наиболее ответственных несущих конструкций и, поэтому им уделяется особое внимание при обследовании зданий и сооружений. Однако в последние годы инженерная служба сталкивается с серьёзной проблемой в выдаче заключений о безопасной эксплуатации стропильных балок в связи с увеличением по действующему СНиП 2.01.07-85* расчетной снеговой нагрузки, на что они не были рассчитаны.

Кроме того, в последнее время многие производственные здания перепрофилируют на продукцию, где вместо мостовых кранов требуются подвесные краны, в результате расчетные нагрузки на стропильные балки ещё более увеличиваются.

Таким образом, возникает острая необходимость в усилении стропильных балок, которое должно быть надёжным, технологичным и экономически целесообразным.

Существуют различные способы усиления стропильных балок, среди которых наиболее часто используются дополнительные жесткие и упругие опоры, предварительно-напряженные горизонтальные и шпренгельные затяжки, подваривание дополнительных рабочих стержней, устройство железобетонных обойм или полуобойм, разгружение конструкции и пр.

Из всех выше перечисленных способов наибольшего внимания на наш взгляд заслуживают способы усиления балок промежуточной упругой опорой, предварительно напряжённой затяжкой и шпренгелем, которые позволяют увеличить несущую способность балки в широком диапазоне действующих нагрузок. Но наряду с достоинствами эти конструкции не лишены недостатков, что существенно сужает область их применения. Недостатками подводимой стальной балки являются чрезмерный расход металла вследствие необходимости устройства на колоннах стальной обоймы и опорных столиков. К недостаткам предварительно-напряжённой затяжки относятся снижение эффекта усиления при увеличении коэффициента армирования и незначительное повышение жёсткости балки. Это же относится к шпренгельной системе. Кроме того шпренгель существенно нагружает сжатую зону, вызывая, при невысоком классе 6 бетона, необходимость вовлечения- в работу дополнительных стальных элементов.

Анализ отечественных и зарубежных литературных данных показывает,, что сдерживающим фактором для массового внедрения указанных способов являются .отсутствие: надежных методов расчета усиленных балок, конструктивные недоработки и недостаточная изученность совместной работы балки с элементами усиления.

Целью диссертационной работы является разработка эффективной конструкции усиления железобетонных балок на базе существующих технических решений, не требующей устройства вспомогательных опорных элементов, позволяющей значительно повысить прочность и жёсткость балки в широком диапазоне значений коэффициента армирования:.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

- выполнить анализ существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок, выявить их положительные и отрицательные стороны;

- провести физический эксперимент на железобетонных балках с целью выявления характера напряжённо-деформированного состояния, схем разрушений и величин разрушающих нагрузок до и после усиления;

-разработать, алгоритм расчёта усиленных балок, учитывающий параметрические особенности конструкции усиления и физическое состояние балок;

- провести численные исследования влияния параметров конструкции усиления на напряжённо-деформированное состояние, прочность и жёсткость усиленных балок;

- выполнить сравнительный анализ нового конструктивного решения" по усилению балок с существующими. В случае положительного результата сравнения и целесообразности применения новой конструкции разработать рекомендации по её • наиболее эффективному и рациональному использованию.

Научную новизну работы составляют:

- новая конструкция для усиления железобетонных балок г комбинированная система). Система состоит из горизонтальной затяжки, выполненной из стальных профилей-с приваренными.по концам стержнями с " нарезкой' и закреплённых к стальным профилям вертикальных стержней' с нарезкой, на которые устанавливаются-1 поперечные траверсы,, являющиеся^ 4 упругими^ (податливыми) опорами для усиливаемой балки. Устройство подвешивается на балку с помощью двух П-образных хомутов - подвесок, ! положение которых определяется расчётом. Комбинированная система включается в работу за счёт создания предварительного напряжения в горизонтальной затяжке и упругих (податливых) опорах, в зависимости от степени нагружения балки, создавая отрицательный или уменьшая т

• положительный изгибающий момент, тем самым значительно повышая $ прочность и жёсткость балки;

- полученные экспериментальные данные о совместной работе усиленной балки и комбинированной системы при изменяющихся конструктивных параметрах—положении подвесок и количестве промежуточных упругих опор;

- выявленные зависимости напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости усиленных балок, от положения подвесок и количества промежуточных упругих опор; разработанный алгоритм расчёта балок, усиленных комбинированной [ системой, основанный на решении задачи методом сил классической строительной механики с итерационным уточнением искомых параметров с учётом физической нелинейности задачи;

-установленный диапазон коэффициентов армирования балок, при котором использование комбинированной системы наиболее целесообразно.

Автор защищает:

-результаты аналитических исследований существующих конструктивных решений но усилению железобетонных балок;

- новую, подтверждённую патентом РФ, конструкцию усиления железобетонных балок (комбинированная система), состоящую из горизонтальной затяжки; выполненной, из стальных профилей с приваренными по» концам стержнями с: нарезкой, поперечных траверс, устанавливаемых, на приваренных кг стальным профилям вертикальных стержнях с нарезкой, являющимися дляг усиливаемой балки упругими (податливыми) опорами и двух П-образных хомутов (подвесок);

- методику испытаний и результаты экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния, прочности и жёсткости железобетонных балок, усиленных комбинированной системой с различными' конструктивными параметрами;

- итерационный- алгоритм расчёта усиленных железобетонных балок, учитывающий физическую нелинейность задачи;

-результаты численного исследования балок, усиленных комбинированной системой с различными конструктивными параметрами;

-методические и практические рекомендации по усилению железобетонных стропильных балок комбинированной системой в зависимости от коэффициента; армирования и требуемого коэффициента усиления - отношения разрушающих нагрузок, воспринимаемых балкой после и до усиления:

Практическая значимость работы:

- разработана новая конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система); позволяющая существенно повысить прочность и жёсткость балки при полной и частичной разгрузке, рассчитанная на использование при реконструкции производственных зданий и сооружений; разработаны итерационный алгоритм и программа расчёта для ПЭВМ усиленных балок на разных стадиях нагружения с учётом образования и развития трещин;

-даны методические и практические рекомендации» по усилению стропильных балок, комбинированной* 'системой; выявлен диапазон« её эффективного- применения с учётом коэффициента- армирования^ и требуемого1 коэффициента усиления; „

- результаты исследований- используются при проектировании усиления железобетонных балок, эксплуатируемых в производственных зданиях г. Пензы и Пензенской области. Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Строительные конструкции" ПГУАС, международных научно-технических конференциях "Эффективные строительные конструкции: теория и практика" (г. Пенза, ПГУАС, 2004, 2006, 2007 гг.); международной научно-практической, конференции "Проблемы энергосбережения и экологии в промышленном и жилищно-коммунальных комплексах" (г. Пенза, ПГУАС, 2007 г.); международной* научно-практической конференции "Города России: система взаимодействия человек - здания и сооружения" (г. Пенза, ПГУАС, 2009 г.);

По теме диссертации опубликовано 11 статей, в.том числе 2 статьи - в журналах, входящих в перечень ВАК. Получен патент на изобретение №2359094 от 24.09.2007 г.

Автор искренне благодарен Заслуженному деятелю науки РФ, д-ру техн. наук, профессору Т.И. Барановой; канд. техн. наук, профессору В.В.Черячукину за помощь, ценные советы, замечания и полезные консультации-.

Структура, и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Произведён анализ существующих конструктивных решений по усилению железобетонных балок, широко применяемых на территории РФ и стран СНГ. Выявлены их достоинства и недостатки. Обоснована необходимость разработки на базе существующих технических решений новой конструкции, предназначенной для усиления железобетонных стропильных балок производственных зданий.

2. Разработана новая, подтверждённая патентом РФ, конструкция для усиления железобетонных балок (комбинированная система), разгружающая балку за счёт совместного действия предварительно напряжённой стальной затяжки и упругих (податливых) опор, позволяющая значительно повысить прочность и снизить прогиб балки с различным коэффициентом армирования.

3. Экспериментальные исследования, проведённые на усиленных балках с различными размерами и, армированием, показали, что прочность и жёсткость усиленных балок существенно зависят от конструктивных параметров комбинированной системы. При смещении подвесок от середины пролёта к основным опорам-прочность балки повышается, прогиб снижается. При изменении количества упругих (податливых) опор от одной до трёх при неизменном расстоянии между подвесками наибольший эффект даёт система с расположенными в четвертях пролёта тремя упругими опорами.

4. Предложен' способ расчёта балок, усиленных комбинированной системой. Он основан на решении задачи' методом сил классической строительной механики с использованием теории деформирования-железобетона. На основе предлагаемого метода разработан итерационный алгоритм расчёта прочности и жёсткости усиленных балок, учитывающий физическую нелинейность железобетона.

5. Написана программа для ПЭВМ, позволяющая оценить степень влияния конструктивных параметров комбинированной системы на напряжённо-деформированное состояние, прочность и жёсткость усиленных балок.

6. Проведён численный эксперимент. Сопоставление результатов численного и физического экспериментов показывает достаточную для практических инженерных расчётов сходимость. Погрешность вычислений не превышает 18%.

7. Произведён сравнительный анализ эффективности комбинированной системы по отношению к традиционным конструктивным решениям: упругой опоре, горизонтальной затяжке, шпренгелю. Получены данные о расходе металла на конструкции усиления в зависимости от требуемого коэффициента усиления, класса бетона и коэффициента армирования балки.

8. В результате сравнительного анализа определён диапазон значений коэффициента армирования балок, в интервале которого применение комбинированной системы наиболее целесообразно.

• 9. Результаты исследований используются при проектировании усиления железобетонных балок, эксплуатируемых в производственных зданиях г. Пензы и Пензенской области.

1. Байков В.Н., Сигалов Э.С. Железобетонные конструкции. Общий курс М.: Стройиздат, 1984. - 728 с.

2. Бачинский В.Я., Бамбура А.И., Ватагин С.С. и др. О построении диаграмм состояния бетона по результатам испытаний железобетонных балок // Строит, конструкции. Киев, 1985. - Вып. 38. - с. 43 - 46.

3. Берг О .Я., Писанко Г.Н:, Хромец Ю.Н. Исследованиефизического процесса разрушения бетона под действием статической и многократно повторяющейся нагрузки: Об.тр. ЦНИИО, вып. 60. М., Транспорт, 1966, с. 6 - 41.

4. Берг О.Я., Некоторые вопросы теории деформаций и прочности бетона. «Строительство и архитектура», 1967, № 10.

5. Бердичевский Г.И., Таршин В.А. Статическое исследование ширины раскрытия трещин в железобетонных элементах.- В кн.: Межотраслевые вопросы строительства. Отечественный опыт, №3, ЦИНИС; 1970, с. 37-41.

6. Бойко М.Д. Диагностика повреждений и методы- восстановления эксплуатационных качеств зданий. JL: Стройиздат, 1975, - 336 с. Бондаренко В.М., Суворкин Д.Г. Железобетонные и каменные конструкции. - М.: Высш. шк., 1987, - 384 с.

7. Власов Г.М. Некоторые результаты исследований прочности балок переменного сечения из обычного железобетона при действии поперечной силы с изгибом / Исследование работы искусственных сооружений. Новосибирск, 1969. Вып. 86

8. Габрусенко В.В. Аварии, дефекты и усиление железобетонных и каменных конструкций // Проектирование и строительство в Сибири. Выпуск №6 (24), 2004, с. 25-28.

9. Гвоздев A.A., Васильев А.П., Дмитриев С.А. Изучение сцепления нового бетона со старым. ОНТИ, 1936.

10. Гвоздев A.A., Яшин A.B., Петрова K.K. и др. Прочность и структурные изменения и деформации бетона. М., Стройиздат, 1978. с. 297.

11. Гвоздев A.A. Расчёт железобетонных обыкновенных и предварительно напряжённых конструкций по предельным состояниям // Материалы международного совещания по расчёту строительных конструкций.- М.: Госстройиздат, 1961.

12. Гвоздев A.A. Развитие теории железобетона в СССР // Бетон и железобетон. -1964. №8.

13. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетона. — М.: Стройиздат, 1974.

14. ГОСТ 8509 93. Уголки стальные горячекатаные равнополочные.

15. Сортамент.- Взамен ГОСТ 8509-86; Введ. с 01.01.1997 ИПК Изд-во стандартов; 1996. - 13 с.

16. ГОСТ 8240 97. Швеллеры стальные горячекатаные. Сортамент.-Взамен ГОСТ 8240-89; Введ. с 01.01.2002 - ИПК Изд-во стандартов, 2001.-6 с.

17. ГОСТ 8829 94 Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости, и трещиностойкости. Взамен ГОСТ 8829 -85; Введ. с 01.01.1998.- 12 с.

18. ГОСТ 27772-88* Прокат для строительных стальных конструкций Москва. Стандартинформ. 2006. — 15 с.

19. ГОСТ 27751-88 Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчёту. Москва. Стандарт-информ. 2007. -6с.

20. Гучкин* И.С., Панков A.B. Железобетонные балки, усиленные комбинированной системой из стальных элементов. Региональная архитектура и строительство. 2010. Выпуск №2 (9). ПензГАСУ. -с. 94 100

21. Гучкин И.С, Багдоев С.Г., Артюшин Д.В. Проектирование усиления однопролётных железобетонных балок подведением промежуточной жёсткой опоры. Региональная архитектура и строительство. 2009. Выпуск №1(6). ПензГАСУ.

22. Гуща Ю.П. Исследование ширины раскрытия нормальных трещин. -В кн.: Прочность и жесткость железобетонных конструкций. Изд-во ЦНИИС, 1971, с. 72 97.

23. Гуща Ю.П. Трещиностойкость железобетонных конструкций. М.: Изд-во Знание, 1974, с. 59 - 67.

24. Гуща Ю.П. Об учете неупругих деформаций бетона и арматуры в расчете железобетонных конструкций по первой и второй группам• предельных состояний. НИИЖБ, М.: 1983, с. 11 17.

25. Жунушалиев А. Д. Экспериментальное исследование работы железобетонных изгибаемых элементов при повторных нагружениях в стадии, близкой к разрушению.- Труды Фрунзенского политехнического института, 1978, №110, с. 46 54.

26. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. М.: Высш. шк., 1991,-288 с.

27. Зайцев Ю.В., Крамарь В.Г. Предварительно-напряжённый железобетон (по материалам Международного конгресса). М.: Знание, 1980.

28. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушений. М.: Стройиздат., 1982, - 196 с. Залесов A.C., Фигаровский В.В. Практический метод расчета железобетонных конструкций по деформациям. - М.: Стройиздат, 1976,- 101 с.

29. Залесов А.С, Кодыш Э.Н., Лемыш Л.Л. Расчет железобетонных конструкций по прочности, трещиностойкости и деформациям. М.: Стройиздат, 1988, - 320 с.

30. Карпенко Н.И. Теория деформирования железобетона с трещинами. -М., Стройиздат, 1976, 204 с.

31. Красновский P.O., Кроль И.С., Тихомиров С.А. Аналитическое описание диаграммы деформирования бетона при кратковременном статическом сжатии // Исследования в области измерений механических свойств материалов.- М.: 1976,- с. 31-36.

32. Кузин Ы.Я. Техническая эксплуатация зданий: Учебное пособие. Пенза: Пенз. инж.-строит. ин-т,,1993:

33. Кутуков В.Н. Реконструкция зданий. М.: Высшая школа. 1981,-263 с. "

34. Лозовой Ю.И., Бумиш В.И: Термический метод усиления железобетонных ригелей под нагрузкой. Промышленное строительство, 1963, №4.

35. Лозовой Ю.И., Хило Е.Р. Усиление железобетонных балок покрытий многопролетных промышленных зданий:- Строительные. конструкции, 1965, вып. 2.

36. Маилян Л.Р; Перераспределение усилий в статически.' неопределенных железобетонных балках ,// Известия ВУЗов: Строительство и архитектура. 1983.- №4. - с. 6-10.

37. Маилян Р. Л., Маилян Д.Р., Веселов Ю.А. Строительные конструкции: Изд. 2-е. Ростов н/Дон: Феникс, 2005. - 880 с.

38. Мамедов Т.И. Экспериментальное исследование границы переармирования и деформаций железобетонных элементов в стадиях, близких к разрушению. В сб.: Исследование по бетону ижелезобетонным конструкциям / под ред. Александровского C.B. i . .

39. M.: Стройиздат, 1974, с. 59 68.

40. Мальганов А.И., Плевков B.C., Полищук А.И. Восстановление и усиление:строительных конструкций аварийных и реконструируемых, аварийных зданий.:- Издательство Томского* университета. Томск, 1992:

41. Методические рекомендации по расчету несущей способностисборно-монолитных конструкций по нормальным сечениям / Голышев А.Б., Харченко А.Б., Бачинский В .Я. и др. Киев: НИИСК Госстроя СССР, 1980. - 39 с.

42. Митрофанов В.П. Напряженно-деформированное состояние, прочность и трещинообразование железобетонных элементов при поперечном изгибе. Автореферат дис. канд. техн. наук. М.: 1982. -42 с.

43. Мулин Н.М., Гуща Ю.П. Деформации железобетонных элементов при работе стержневой арматуры в упругопластической стадии.-Бетон и железобетон, 1970, №3.

44. Мулин Н.М., Гуща Ю.П. Арматура и условия ее работы в конструкциях. Бетон и железобетон, 1971, №3, с. 7 - 10. Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. -М.: Стройиздат, 1975. - 233 с.

45. Мурашев В.И. Трещиностойкость, жёсткость и прочность железобетона. М.: Машстройиздат, 1950. - 268 с.

46. Мурашев В.И., Сигалов Э.Е., Банков В.Н. Железобетонные конструкции. М.: Госстройиздат, 1962. - 659 с.

47. Никулин А.И. Трещиностойкость, деформативность и несущая способность железобетонных балок составного сечения. Белгород, 1999.-289 с.

48. Нугужинов Ж.С. Деформации и ширина раскрытия трещин . изгибаемых железобетонных элементов при немногократноповторных нагружениях. Дисс. канд. техн. наук., М.: 1966.

49. Овчинников И.Г., Инамов P.P., Гарибов Р.Б. Прочность и долговечность железобетонных элементов конструкций в условияхсульфатной агрессии. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2001. - 164 с.

50. Овчинников И.Г., Маринин А.Н., Наумова Г.А. Прогнозирование напряжённо-деформированного состояния железобетонных конструкций при воздействии хлоридной коррозии и карбонизации / Вестник ВолгГАСУ. 2007. - вып. 6 (23). - С. 85-93.

51. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. -JI. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1966.

52. Панков A.B., Сафронов Д.Н., Фокин Г.А. Применение метода • акустической эмиссии к обследованию железобетонных балок /

53. Актуальные проблемы современного строительства. Тез. АНЗ докл. междунар. науч.-техн. конф. Пенза: ПГУАС, 2005, с. 24.

54. Панков A.B. К назначению метода усиления железобетонных балок в пролёте. / Эффективные строительные конструкции: теория и практика.: сборник статей IV Международной научно-технической конференции. Пенза, 2005, с. 99 - 102.

55. Панков A.B., Сафронов Д.Н., Баранова Т.И., Фокин Г.А. Мониторинг строительных конструкций / Метод количественной оценки качества (сборник рефератов докладов студенческой НТК). "Студенческая наука интеллектуальный потенциал XXI века" Пенза: ПГУАС -2006.

56. Пинаджян В .В. К вопросу усиления изгибаемых конструкций: Изд-во; АН. Арм. ССР, 1947.

57. Положение о проведении планово-предупредительных ремонтов производственных зданий и сооружений^ М:: Стройиздат,1974.- 115 с.

58. Положение об организации и проведении реконструкции- ремонта и технического обслуживания зданий,, объектов; коммунального • и социально-культурного назначения.: Нормы проектирования. ВСН 5 8-88(р). Госкомархитектуры. М:: Стройиздат, 1990. 32 с.

59. Рекомендации по усилению, железобетонных конструкций зданий и; сооружений под нагрузкой? в условиях реконструкции. НИИСП

60. Госстроя УССР. Киев. 1990. 79 с.

61. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. НИИСК М.: Стройиздат. 1989. - 104 с.

62. Рекомендации по обеспечению надежности и долговечности железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений при их реконструкции и восстановлении / Харьковский ПромстройНИИпроект. М.: Стройиздат, 1990. - 176 с.

63. Реконструкция зданий и сооружений / Под ред. A.JI. Шагина. М.: Высш. шк., 1991.-352 с.

64. Рокач B.C., Чайка В.П. Процесс образования трещин в обычных и предварительно напряженных железобетонных изгибаемых элементах. В. кн.: Вопросы современного строительства Львов, 1968, с. 24-29.

65. Рокач В.О. Деформации железобетонных изгибаемых элементов/ Зарубежные исследования Киев, Будивельник, 1968, с. 30-36.

66. Руководство по эксплуатации строительных конструкций производственных зданий промышленных предприятий / ЦНИИ Промзданий Госстроя СССР. М., 1981. 84 с.

67. Руководство по проведению натурных обследований промышленных зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1975. 64 с.

68. Руководство по определению и оценке прочности бетона в конструкциях зданий и сооружений. М.: Стройиздат, 1979. 67 с.

69. Руководство по усилению железобетонных конструкций композитными материалами. ИнтерАква. e-mail: inter-aqua@mtu-net.ru, interaqua@mail.ru

70. Савич-Демянюк Г.В., Гольдфайн Б.С. Исследование расчетной модели трещинообразования в изгибаемых железобетонных элементах на основе численного эксперимента. Строительнаямеханика и расчет сооружений, 1981, №3.

71. СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. М.: Госстрой России, ГУИ ЦПП, 2003; с измен. 60 с.

72. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1985. 79 с.

73. МО СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения / "ГУЛ НИИЖБ" Госстроя России. 2003. 21с.

74. СНиП II-23-81 * Стальные конструкции. Нормы проектирования / ; Госстрой СССР.-М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1981.- 128 с.

75. Соколов В.К. Реконструкция жилых зданий. М.: Московский рабочий, 1982.

76. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. ГУП «НИИЖБ» Госстроя России. 2004. 59 с.

77. СП 52-102-2004 Предварительно напряжённые железобетонные конструкции. ГУП «НИИЖБ» Госстроя России. 2004. — 56 с.

78. СП 13-102-2003 Правила обследования несущих строительных '. конструкций зданий и сооружений. М.: Госстрой России, ГУП ЦПП,2003.-50 с.

79. Страхов Д.А. Статический расчет стержневых железобетонных конструкций с трещинами в растянутой зоне при. нелинейной ползучести бетона. Автореф. дисс. канд. техн. наук.- Л.: 1978.- 18 с.

80. Стрункин А.Д. Исследование работы железобетонных балок. -Строительная промышленность, 1951, №6.

81. Торяник М.С., Митрофанов В.П. Прочность и деформации железобетонных балок, разрушающихся по наклонной трещине //

82. Бетон и железобетон. 1970. - №2

83. Усенбаев Б.У. Прочность железобетонных балок по наклонным сечениям при совместном действии изгибающего момента и поперечной силы. Автореферат дисс. канд. техн. наук.- М.: 1985.-20 с.

84. Харченко А.В. Исследование прочности сборно-монолитных изгибаемых конструкций по нормальным сечениям. Дисс. канд. техн. наук. Киев, 1978.- 185 с.

85. Emmons P. H., Vaysburd A. M., Thomas J. Strengthening Concrete Structures, Part I, Concrete International, 1998, vol. 20, № 3, pp. 53-58.

86. Nanni, A. Guides and Specifications for the Use of Composites in Concrete and Masonry Construction in North America. Proc. Int. Workshop "Composites in Construction: A Reality," Capri, Italy, July 202, 2001, pp 9-18.