автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность сжатых железобетонных элементов различной гибкости с ненапрягаемой высокопрочной стержневой арматурой

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ , АКАДЕМИЯ_

БАСОВЕЦ Святослав Александрович р р 2 0 д

17 ДПР 20гзо

ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ГИБКОСТИ С НЕНАПРЯГАЕМОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРОЙ

05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск, 2000

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ _ АКАДЕМИЯ_

ДК 624.012.454:669.018

БАСОВЕЦ Святослав Александрович

ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ГИБКОСТИ С НЕНАПРЯГАЕМОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРОЙ

05.23.01 - "Строительные конструкции, здания и сооружения"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Минск, 2000

Работа выполнена в Полоцком государственном университете

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор | Семенов А. И.

кандидат технических наук, доцент Попков Ю. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Пастушков Г. П.

кандидат технических наук, доцент Семенюк С. Д.

Оппонирующая организация - Научно-исследовательский и проект-но-технологический институт "Стройиндустрии" (НИПТИС).

Защита состоится " ¿У¿Р/О?с/Л 2000 года в 14 часов на засе дании совета по защите диссертацйи Д.02.05.09 при Белорусской государственной политехнической академии (корпус 15 ауд. 839).

Отзывы на автореферат присылать по адресу: 220027, г Минск, прс спект Ф. Скорины, 65 (ученому секретарю), тел. 264-98-65 (017).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской го сударственной политехнической академии

Автореферат разослан "

с^/^/ж?^ 2000 года.

Ученый секретарь совета

по защите диссертаций Д.02.05.09 ,, Е.М.Сидорович

\\5W JZ -0РЛ.Н 0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Выполненные ранее исследования сжатых железобетонных элементов ненапрягаемой высокопрочной арматурой проводились преимущественно а коротких образцах, прогибы которых не оказывают существенного влняня на несущую способность конструкций. Однако, как показывают данные кспериментов, за счет более высокой деформативности сечений прогибы оротких сжатых образцов с высокопрочной арматурой имеют в 1.5... 2 аза большие значения, чем в аналогичных образцах с мягкой сталью. На сновании чего можно предположить, что с увеличением гибкости отличие рогибов указанных конструкций может привести к существенным расхож-.ениям расчетной оценки напряженно-деформированного состояния таких лементов в предельной стадии работы.

Предельная деформация наиболее сжатых фибр бетона принимается в ^счетах в качестве основного критерия исчерпания прочности конструк-шй, изменяется в широких пределах и зависит от многих факторов, степень лияния которых не изучена в достаточной мере. Эффективность использо-¡ания высокопрочной стержневой арматуры в сжатых железобетонных кон-трукциях непосредственно связано с предельными деформациями бетона. 1ри этом очевидно, что уровень развития теории расчета сжатых железобетонных элементов, реализованный в нормах, не позволяет в полной мере 1спользовать существующие резервы экономии стали и несущей способно-гги конструкции.

Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской -емы ГБ 1291 Полоцкого государственного университета Министерства об-хчзования и науки Республики Беларусь. Экспериментальные исследования фоведены в испытательной лаборатории кафедры "Железобетонные и каленные конструкции" на Зб-ти опытных образцах конструкций различной 'ибкости, а также контрольных образцах бетона и арматуры.

Цель работы: разработать на основе экспериментально-георетических исследований рекомендации по расчету несущей способности при кратковременном сжатии железобетонных элементов различной ибкости с продольной ненапрягаемой арматурой класса А800 в сочетании с лоперечным армированием хомутами.

В соответствии с указанной целью решались следующие задачи:

- исследовать влияние высокопрочной арматуры на деформация бетона, прогибы и несущую способность центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов различной гибкости;

- оценить характер напряженного состояния бетона сжатой зоны при армировании высокопрочной сталью;

- исследовать предельные деформации и напряжения в продольной арматуре;

- изучить влияние кососимметричной схемы расположения арматурных стержней из высокопрочной стали в сечениях при фиксированном

начальном положении плоскости изгиба на напряженно-деформативное о стояние и несущую способность элементов;

- разработать рекомендации к' расчету несущей способности сжать железобетонных элементов с высокопрочной арматурой применительно методике расчета действующих норм, а также применительно к методш расчета по деформационной модели с использованием диаграмм деформ рования бетона и арматуры.

Объект и предмет исследования. Объект исследования - сжатые ж лезобетонные элементы различной гибкости с продольной ненапрягаемс арматурой класса А800 в сочетании с поперечным армированием хомутам Предметом исследования является напряженно-деформированное состо ние нормального сечения, эффективность использования высоких механ ческих характеристик термоупрочненных сталей, методы расчета несуще способности при кратковременном сжатии конструкций.

Гипотеза. При увеличении гибкости отличие деформаций и прогиб« железобетонных элементов с ненапрягаемой высокопрочной арматурой аналогичных конструкциях с мягкой сталью может привести к существе ным расхождениям расчетной оценки напряженно-деформированного с стояния на разных стадиях их работы.

Методология и методы проведения исследовании. В виду магк изученности работы сжатых железобетонных элементов различной гибк ста с высокопрочной ненапрягаемой арматурой проведены специальш экспериментально-теоретические исследования, включавшие испытан! опытных образцов, статистические методы обработки эксперименталын данных.

Научная новизна и значимость полученных результатов. Вперш получены экспериментальные данные о:

- несущей способности и прогибах сжатых железобетонных элемент различной гибкости при симметричном и кососимметричном расположен! в сечении продольной ненапрягаемой арматуры класса А800;

- предельных деформациях бетона и продольной арматуры;

- зависимости предельных деформаций бетона наиболее сжатой грш сечения и арматуры от относительной высоты сжатой зоны;

- характеристиках напряженного состояния бетона сжатой зоны в сп дии разрушения и при потере устойчивости конструкций.

Разработаны рекомендации к расчету несущей способности сжатт железобетонных элементов с высокопрочной арматурой применительно метод шее действующих норм, а также применительно к методике расчета использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры, учитыва! щие возможности более полного использования высокопрочной стсржнев. арматуры.

Практическая значимость полученных результатов. Практическ значимость работы состоит в том, что в результате проведенных исследо! ний железобетонных элементов с высокопрочной стержневой арматур

элучены новые данные, позволяющие оценивать влияние прогибов, коли-гства продольной арматуры и схем ее размещения в поперечных сечениях а напряженно-деформированное состояние бетона и арматуры в предель-ых стадиях конструкции. Предложенные рекомендации ориентированы на ювершенствование методов расчета несущей способности, позволяют побить точность общепринятых методов расчета и получать более эконо-ичные проектные решения сжатых элементов конструкций за счет сниже-ля их материалоемкости и более полного использования высоких механи-:ских характеристик термоупрочненных сталей.

Результаты исследований внедрены в соответствующий раздел проек-I норм СНБ 5.03.01-98, переданы в институт "Витебскгражданпроект" и ^пользуются при проектировании сжатых железобетонных элементов. Ма-:риалы диссертации внедрены также в учебный процесс кафедры Келезобетонные и каменные конструкции" Полоцкого государственного шверситета.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту. На за-иту выносятся:

- методика исследования, средства измерения деформаций и переме-ений опытных образцов; ' . • . ■

- оценка качественных признаков исчерпания несущей способности, :зультаты проверки сходимости опытных и расчетных характеристик на-эяженно-деформативного состояния конструкций;

- предложения по расчету напряжений в высокопрочной стержневой )матуре железобетонных элементов;

- методика расчета несущей способности сжатых элементов различной [бкости при симметричном и кососимметричном расположении арматурах стержней в поперечных сечениях.

Личный вклад соискателя. Диссертационная работа выполнялась ав->ром самостоятельно на кафедре "Железобетонные и каменные конструк-ш" Полоцкого государственного университета под руководством доктора хнических наук, профессора А. И. Семенова и кандидата технических на-доцента Ю. В. Попкова.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и ре-льтаты работы докладывались и обсуждались на Республиканской науч-кгехнической конференции в г. Могилеве (1991, 1994 г.г.); на научно-подическом межвузовском семинаре "Перспективы развития новых тех-шогий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Берусь" в г. Новополоцке (1995 г.); на научно-технических конференциях и минарах Полоцкого государственного университета (1994... 1999 г.г.); на ой международной конференции "Экспериментальные исследования ин-гнерных сооружений (ЭИИС-98)" в г. Москве (1998 г); на международной •-ей научно - технической конференции профессоров, преподавателей, на-[ных работников и аспирантов Белорусской государственной политехии-ской академии (1999 г).

Опубликованностъ результатов. Положения диссертации опублию ваны в 3 статьях сборников трудов, в 2 статьях журналов, в тезисах 1 докл да. Общее количество опубликованных материалов по диссертационной р боте составляет 17 страниц.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введени общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использ ванных источников из 126 наименований, в том числе 6 на иностраннь языках. Работа изложена на 121 странице, включая 70 страниц машинопи ного текста, содержит 7 таблиц и 39 рисунков.

Содержание работы.

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сфс мулирована цель работы и определены ее задачи, излагаются основные к учные положения, выносимые на защиту. Перечислены полученные авт ром результаты, приводятся сведения о практической значимости, апроЕ ции и внедрении работы.

В первой главе приведен краткий обзор истории развития теории же/ зобетона, результатов исследования несущей способности и деформац сжатых железобетонных элементов с высокопрочной ненапрягаемой стер невой арматурой.

Важнейшим этапом развития теории железобетона, благодаря бо/ шим экспериментально-теоретическим исследованиям М.С.Боришанско АЛВасильева, А. А .Гвоздева, КШ.Гущи, С. А .Дмитриева, А.С.Залесо С.М.Крылова, С.А.Мадатяна, В.В.Михайлова, Н.М.Мулина, В.И.Мурашо ШШастернака, К.Э.Таля, Е.А.Чистякова и других ученых, стал введены с 1955 года единый метод расчета конструкций по предельным состоянш С учетом накопившихся результатов исследований и практики проекта] вания, нормы расчета железобетонных конструкций пересматривались связи с тем, что исследования ряда авторов выявили в некоторых случг существенные отклонения результатов опыта от расчета по формулам но! В основном это было вызвано освоением новых материалов для железо тона, использованием высокопрочных бетонов и арматурных сталей, от. чавшихся от применявшихся ранее своими физико-механическими свой вами.

Современные нормы проектирования допускают применение высо прочных сортов ненапрягаемой стержневой стали для армирования сжат элементов, ограничивая степень ее использования расчетным сопротив нием сжатию равным 500 МПа. Вместе с тем, экспериментальные иссле вания Г.А.Аскомитаса, В. И. Довгалюка, В. Ф. Захарова, Н. Г. Матке ТЛМинчени, ГЛ.Пастушкова, Т. М1 Пецольда, Ю.В.Попкс БЛ.Рискинда, АЛСеменова, В. В. Сурина, К. Э. Таля, А.А.Тарасс Е.А.Чистякова и других показывают, что сопротивление сжатой высс прочной арматуры опытных конструкций изменяется в широких преде

до 1000 МГТа и выше) и зависит от предельной деформации укорочения окружающего ее бетона. Несущая способность при внецентренном сжатии об-эазцов с арматурой классов А800 - А1200 повышается в 1,3-1,8 раза по :равнению с несущей способностью контрольных образцов, армированных лержнямп из мягкой стали класса А400. Таким образом очевидно, что уровень развития теории расчета сжатых железобетонных элементов, реализованный в нормах не позволяет в полной мере использовать существующие эезервы прочности конструкций.

Выполненные ранее экспериментальные исследования железобетонных конструкций с высокопрочной ненапрягаемой стержневой арматурой лроводились преимущественно на жестких коротких образцах, прогибы которых не оказывают существенного влияния на несущую способность элементов. Однако, даже в коротких стойках, за счет высоких деформаций :редних сечений, измеренные прогибы образцов с высокопрочной арматурой классов А800 и выше имеют большие значения этой величины, чем в аналогичных образцах с мягкой сталью класса А400. На основании чего можно предположить, что с увеличением гибкости отличие прогибов указанных конструкций может привести к значительным расхождениям в эценке несущей способности таких элементов при расчетах по существующим методам. Несмотря на очевидную актуальность и практическое значение этих вопросов, опытных данных о работе гибких сжатых элементов с ненапрягаемой высокопрочной арматурой несоизмеримо мало.

В развитие теории расчета железобетонных конструкций при сложных видах напряженного состояния, в том числе при косом внецентренном сжатии, внесли вклад В.И.Бабнч, П.Ф.Вахненко, В.И.Клименко, Ю.В.Попков, А.В.Редкин, С.Д.Семенюк, М.С.Торяник и другие. Вместе с тем, остаются недостаточно изученными особенности напряженно-деформированного состояния элементов при кососимметричной схеме армирования сечений и фиксированном начальном положении плоскости изгиба.

Во второй главе излагается методика экспериментальных исследований автора; описываются конструкция опытных образцов, варьируемые факторы и объем эксперимента, методика испытаний; дан анализ качественных характеристик разрушения и сопоставления опытных и расчетных (по методике СНиП 2.03.01-84) значений несущей способности конструкций.

Экспериментальные исследования проводились на образцах различной гибкости с максимальным возможным приближением к элементам натурных конструкций по размерам сечений и схемам их армирования, составу бетона, заводской технологии его приготовления.

Опытные образцы имели квадратную форму поперечного сечения с размерами 200x200 мм, изготавливались из тяжелого бетона проектной прочности В25 на гранитном щебне и кварцевом песке, армировались продольными стержнями диаметром 22 мм нз стали класса Ат800. Поперечная арматура средней части длины конструкции представлена в виде хомутов из

проволоки диаметром 6 мм, расположенных с шагом 200 мм. В качестве основных варьируемых факторов эксперимента приняты: длина, гибкость конструкций Ьо/Ъ. (6, 12, 18); начальный эксцентриситет приложения нагрузки е0, мм (0; 30; 60); количество продольной арматуры в сечении ц, % (0; 3,7; 5,5; 7,4); схемы армирования сечений (симметричная и кососиммет-ричная).

Общее количество основных опытных образцов (36 шт) распределено по четырем сериям, отличающимся, в основном, длиной (гибкостью) конструкций. Особенности напряженно-деформированного состояния образцов при кососимметричной схеме расположения стержней продольной арматуры в сечениях изучались в четвертой серии при начальных эксцентриситетах е0=30; 60 мм и при гибкостях Ь/Ъ. = 6; 12; 18. Результаты эксперимента дублировались испытанием двух близнецов. Вместе с основными опытными образцами конструкций изготавливались и испытывались стандартные образцы бетона в виде кубов и призм.

Испытания конструкций проводились в гидравлических прессах ПР-1000 и ПР-500. Схема загружения предусматривала создание условий работы конструкций как стоек с шарнирным опиранием, с равными и одинаково направленными концевыми эксцентриситетами продольной силы Нагружение осуществлялось при кратковременном режиме ступенчатогс увеличения нагрузки, в процессе которого проводились измерения: средних продольных деформаций на поверхностях боковых граней, прогибов и угловых перемещений сечений.

Исчерпание несущей способности элементов происходило либо сп достижения предельных напряжений в материале, т.е. по прочности, либо сп потери устойчивости, что главным образом зависит от гибкости образца I эксцентриситета продольной силы. Вслед за потерей устойчивости наступало разрушение сжатой зоны сечения при упавшей нагрузке, сопровождаемое раздроблением бетона и выпучиванием наиболее сжатых стержней арматуры, которые в гибких конструкциях теряли устойчивость при наличии дополнительных связей со стороны внутренних слоев бетона сжатой зоны препятствующих выпучиванию в направлении параллельном плоскости изгиба всей конструкции.

При кососимметричном смещении промежуточных стержней арматуры, расположенной у наиболее нагруженных граней сечения, относительнс среднего их положения на величину 20 % расстояния до углового стержш несущая способность сжатых элементов при сравнении с несущей способностью аналогичных элементов при симметричном армировании снизилас! на 5 ...10 % при гибкости 12 и на 18...20 % при гибкости 18. Для коротки> элементов указанное смещение арматурных стержней в поперечном сече нии не повлияло на несущую способность. 4

Сопоставление опытных и расчетных (по СНиП 2.03.01-84 с учетог. фактической прочности бетона и расчетном сопротивлении арматуры ежа тию, равном 500 МПа) значений несущей способности показало, чт<

редельные усилия и соответствующие им прогибы оказались заниженны-и на 30...55 % при гибкости 6 и до 28...30 % при гибкостях 12 и 18. Для оротких элементов недооценка фактической несущей способности объяс-яется применением низкого сопротивления арматуры сжатию, а для гиб-кх элементов, кроме того, существенной разницей опытных и расчетных рогибов.

В третьей главе представлены результаты анализа напряженно-еформированного состояния опытных образцов в предельных стадиях, по-азана эффективность использования высоких механических характеристик грмоупрочненных сталей при сжатии, даны рекомендации к расчету не/щей способности сжатых железобетонных элементов с высокопрочной гержневой арматурой применительно к методике действующих норм, а 1кже применительно к методике расчета по деформационной модели с ис-эльзованием диаграмм деформирования бетона и арматуры.

Исследование характера развития деформаций в процессе нагружения инструкций показало, что предельные деформации граней средних сечений значительной мере зависят от эксцентриситета нагрузки и гибкости эле-ента. Если предельные относительные деформации наиболее сжатой грани 5разцов малой гибкости достигали (550...600) • 10"5, то деформации этих е граней гибких элементов третьей серии превышали 700 ■ 10"5. Относи-¡льные деформации менее сжатой или растянутой грани средних сечений гоек также зависят от эксцентриситета нагрузки, гибкости конструкции и ¡менялись в широких пределах: до 200 • 10" при растяжении в опытах пер-)й серии; до 300 • 10'5 - в опытах второй серии и более 500 • 10"5 - в опытах !етьей серии. Эти показатели деформирования сечений зависят от конеч-эго эксцентриситета продольного усилия, достигающего предельных знаний в момент, предшествующий падению нагрузки. Величина прогиба, хугветствующая разрушающей нагрузке или потере устойчивости конст-/кции, зависит от начального эксцентриситета (ео) и гибкости стойки (А,) эй одинаковых условиях закрепления их на опорах. Относительное прн-ццение начального прогиба элементов достигало 1,25 в образцах с X = б , 65 - в образцах с X = 12 и 2,85 - в образцах с А. = 18.

В оценке напряженно-деформированного состояния конструкций уни-■рсалыюй представляется зависимость предельной деформации сжатой 1ани сечения (еви ) от высоты сжатой зоны (£ -х/И). Эта зависимость ис-юдовалась по данным опытоз различных автороз, проводивших испыта-!я образцов сжатых элементов из бетонов различной прочности при широ->м диапазоне варьирования количеством высокопрочной стержневой ар-пуры в поперечном сечении и сопоставимых по количеству поперечного •мирования в виде хомутов.

В результате обработки экспериментов получена следующая формула ш расчета предельной деформации укорочения бетона наиболее сжатой

грани сечения:

£ви =£во (1)

где ею - предельная деформация укорочения бетона при однородно?, (центральном) сжатии сечения, вычисляемая по формуле:

£во =(180 + 40-'ц + Ъ&в (1 -/ОН О-5; (2)

к - коэффициент, учитывающий влияние количества высокопрочной арма туры в сечении к относительной высоты сжатой зоны (£) на предель ную деформацию сжатой грани, определяемый по зависимости:

(0,33 + 0,45-//) 1

к — -

4 .-2-е*

(3)

со - характеристика деформативных свойств бетона сжатой зоны, вычис ляемая по формуле:

о = 0,85 -0,0048 (4)

Зависимости предельных деформаций и напряжений в арматуре а высоты сжатой зоны, полученные из опытов автора, а также Е.А.Чмстяковг БЛ.Рискинда, В.В.Сурина и др., представлены в виде кривых-гипербол "е - Предельные деформации арматуры, сосредоточенной у наиболее ежа той грани, зависят от предельной деформации бетона сжатой грани и соот веггетвует ее изменениям. При одинаковых эксцентриситетах в образцах большим количеством арматуры предельная деформация арматуры имее более высокие значения. В исследованном диапазоне факторов напряжени в сжатой арматуре опытных образцов достигали значений, превышающи 1200 МПа. На основании установленных зависимостей предлагается еле дующая формула для расчета напряжений в высокопрочной арматуре:

~^)-Е3>-с78си (5)

где ^ - х / Ь« ; сг^ц - предельные напряжения в арматуре сжатой зоны.

Для решения вопроса о назначении предельных напряжений в армату ре сжатой зоны (акц ) проведен анализ опытных данных исследований а противления высокопрочных стержней сжатию в железобетонных образца: а также результатов сравнения механических характеристик арматуры ра: личных классов по результатам их испытания как отдельных стержней и сжатие и растяжение. Результаты исследований работы арматуры на сжата в виде отдельных стержней, испытанных на сжатие при шарнирном опир: нии концов, показали, что предельные сжимающие напряжения зависят с гибкости стержней и класса стали. Стержни арматуры класса А400 незав1 симо от гибкости теряли устойчивость при напряжениях примерно равны пределу текучести стали. Стержни из высокопрочной арматуры классе Ат800 и АтЮОО теряли устойчивость при напряжениях, превышающих у< ловный предел текучести, что в существенной мере зависит от их гибкосл

Предельные критические напряжения при потере устойчивости стержня, могут быть определены по зависимости:

а5см ~аи~ (1.2 - 0,2 • Лу /Хз ы); (6)

где сти - временное сопротивление разрыву для сталей с условным пределом текучести или предел текучести для сталей с физическим пределом текучести; Я-з. ни - предельная гибкость стержня для упругой области шарнирно-опертого стержня (по Эйлеру):

Л.нп) = я • 4Ез 1 5 (7)

Сту - условный предел упругости; А.э - расчетная (приведенная) гибкость стержня:

= • и ж / г; (В)

здесь к3„ - коэффициент приведенной длины стержня; изы - шаг поперечных стержней арматурного каркаса; г - радиус инерции поперечного сечения арматурного стержня.

Зависимость (6) дает удовлетворительную для практических расчетов сходимость опытных и расчетных значений предельньгх напряжений в сжатой арматуре для различных классов стали.

Следовательно, при внецентренном сжатии железобетонных элементов предельные деформации и напряжения в высокопрочной стержневой арматуре следует рассматривать как переменные величины, зависящие от относительной высоты сжатой зоны, процента армирования, прочности бетона, устойчивости стержней арматуры.

Анализ напряженно-деформированного состояния опытных конструкций показал, что в стадии разрушения эпюра напряжений в бетоне нормальных сечений соответствует условной эпюре с равномерно распределенными по площади сжатой зоны напряжениями, равными призменной прочности ( ). Аппроксимацией эпюры сжатой зоны бетона в форме параболы установлено, что в стадии разрушения максимальные напряжения составляют (1,2 ... 1,4) 11в. В стадии потери устойчивости колонн напряжения в бетоне сжатой зоны не превышали призменную прочность. К моменту потери устойчивости конструкций, когда достигается наибольшая нагрузка на образец, сжатая зона имеет запас прочности, благодаря чему элемент продолжает нести ниспадающую нагрузку при ускоренном развитии прогибов, деформаций и перераспределении напряжений в бетоне вплоть до разрушения. Таким образом разрушение коротких стоек происходит одновременно с достижением максимальной продольной силы, а разрушение средних сечений гибких стоек наблюдается после потери устойчивости и исчерпашш прочности сжатой зоны. В этом состоит основная особенность и отличие работы гибких сжатых элемекгов от коротких.

Сущность этих явлений заключается в свойстве, присущем главнь образом бетону. С некоторого уровня нагрузки на образ напряжения в бетоне у наиболее сжатой грани сечения достигают преде прочности. При дальнейшем нагружении бетон в данной части сечения способен воспринимать возрастающую нагрузку. Однако это не приводил разрушению элемента. Благодаря перераспределению усилий с бетона арматуру, сечение способно нести увеличивающуюся нагрузку. Это согц вождается снижением доли усилий, воспринимаемой бетоном и увеличен ем усилия, приходящегосг. на сжатую высокопрочную арматуру. Кроме т го, при неоднородном напряженном состоянии напряжения перераспре,! ляются не только между бетоном и арматурой, но и в бетоне по высоте ся той зоны на менее напряженные его участки. В глубине сечения бетон 1 формируется в стесненных условиях, что приводит к увеличению напряя ний и перемещению ординаты максимальных напряжений из более нац женнои или даже разрушающейся области вблизи сжатой грани в цeнтpaJ ную, менее напряженную часть сжатой зоны.

Недооценка расчетной несущей способности, полученная по методи норм по сравнению с опытной, является следствием применения низк расчетных сопротивлений арматуры сжатию. В связи с чем, основная зада в усовершенствовании нормативной методики расчета состояла в коррею ровке определения сопротивлений высокопрочной арматуры сжатою сближении их с опытными, а также в уточнении оценки влияния прогиб* Расчет несущей способности гибких сжатых железобетонных элементе! соответствии с методикой норм основан на учете прогиба в значении Э1 центриситета продольной силы, используя коэффициент 77, определяемы! зависимости от условной критической силы (Ыст). Из анализа расчета формул норм проектирования получено, что введение поправок в расчет' и 7, учитывающих повышенную деформативность бетона, армирование высокопрочной сталью, приводят к увеличению расхождения опытной расчетной несущей способности. Корректировка расчета в части опреде. ния напряжений в арматуре по предлагаемым формулам (5 ... 8), но сох] няя принятые в нормах формулы для вычисления N0- и ц, позволила по. чить достаточно хорошее сближение теоретических и опытных значен как несущей способности, так и соответствующих им прогибов.

Рассмотрена расчетная оценка прочности сжатых железобетонн элементов с высокопрочной неналрягаемой арматурой, основанная принципиальных положениях деформационного метода, который заклю ется в использовании гипотезы плоских сечений и полных диаграмм , формирования бетона и арматуры. При этом связь между напряжениям! деформациями сжатого бетона в общем случае определялось с учетом ] пряженно-деформированного состояния элементов, т. е. принимал; трансформированной по сравнению с диаграммой при центральном ежа™

Поперечное сечение рассматривалось в виде дискретной модели, стоящей из элементарных участков-полос в количестве от к=1 до т (рис.

при этом принималось, что в пределах каждого участка напряжения одинаковы и равны напряжению в центре его тяжести.

Деформации бетона на соответствующих участках и деформации арматуры определялись с учетом их линейного распределения по высоте сечения элемента и расположения моментной оси "0 - 0" согласно рис. 1 по формулам:

еВ1

(9)

где ут, • расстояние от моментной оси до центров тяжести элементарных площадок бетона и стержней арматуры, соответственно; - кривизна элемента; £в - относительные деформации наиболее сжатой грани сечения. В

N „ - Л N.

Л Ив

/к

№ а, п

Рис. 1. Расчетная схема деформаций, напряжений и усилий в нормальном сечении

По напряжениям в бетоне (ош) в центре тяжести I - того участка и напряжениям в к - ом арматурном стержне (сг^) определяются внутренние усилия в сечении:

N1

п т

м

(10) (И)

где: N - разрушающая (максимальная) продольная сила; е - расстояние от линии действия силы N до выбранной моментной оси "0 - 0", с учетом прогиба элемента 1\АШ - площадь элементарного участка бетона; - площадь сечения стержня арматуры или группы стержней.

При размещении моментной оси "О - 0" на растянутой или менее сжатой грани сечения расстояния от этой оси до центров тяжести элементарньо площадок бетона определялось по формуле:

У В! =А-(/-0,5)-ДА, (12)

а расстояния до центров тяжести арматурных стержней вычисляются по формулам: = А-а1; ■ ys =а

Расстояние от выбранной оси до точки приложения силы N вычисля лось по условию:

c=y2*c0+f, (13)

где е0 - начальный эксцентриситет; / - прогиб элемента в предельно] стадии, определяемый по известной зависимости:

^Уг''г% ; (14) ,

здесь Уг - кривизна элемента в наиболее напряженном сечении; /0 длина элемента или расстояние между шарнирными опорами; КР - коэффи циент, учитывающий распределение кривизн по длине элемента.

В. настоящее время имеется немало предложений по описанию диа грамм деформирования бетона (в виде полиномов, степенных функций, по казательных функций и других зависимостей). Та или иная зависимость мо жет бьпъ выбрана с учетом особенностей решаемой задачи. В данном случа< использована несколько видоизмененная зависимость ЕКБ - ФИП (рис. 2):

- _ к-п-ч2 » .

~ 1 + (К -2)'Ц

(15)

где

sR=RB(.QA2 + MyRy\0-

Рис. 2. Диаграмма деформ1фования бетона и арматуры; 1 - центральное сжатие, 2 - сжатие в условиях неоднородного напря-• ■ женного состояния

Рад исследователей считают, что диаграмма "напряжение - деформация" бетона, полученная при испытании призм на осевое сжатие, наилучшим способом отвечают работе бетона в изгибаемых и внецентренно сжатых элементах. В тоже время имеется немало исследований, результаты которых позволяют предположить обратное. Еще в 1936 г. на основании эпытных данных для изгибаемых и внецентренно сжатых элементов ЦНИИПС ввел понятие предела прочности на сжатие при изгибе &и=1,25Кв , которая принималась в нормативной методике расчета до 1975г.. Однако, в связи с тем, что в некоторых случаях отмечалась пере-эценка несущей способности, в дальнейшем рекомендовано для всех случаев использовать величину . Это явилось следствием консервативности ¡/словной прямоугольной формы эгооры напряжений в сжатой зоне бетона, которая не позволяет учитывать трансформацию фактической эпюры напряжений в сжатом бетоне под влиянием различных факторов. Повышение прочности бетона объясняется особенностями развития микротрещинооб-эазовашш и наличия градиента деформаций соседних волокон при неодно-гюдном напряженном состоянии сжатой зоны изгибаемых и внецентренно ;жатых элементов, что должно учитываться в расчетной оценке прочности инструкций.

Диаграмма деформирования арматуры принята трехлинейного вида рис. 2). На основании результатов экспериментов предлагается рассматри-зать различные диаграммы для сжатой и растянутой арматуры в области ^упругого деформирования, т. е. при сг5 >сг51 . Увеличение сжимающих {апряжений в арматуре связано с кривизной элемента в стадии потери ус-ройчивосга. На основании анализа экспериментов установлено, что при сривизне стойки отвечающей условию:

4,5x10-% (16)

устойчивость наиболее сжатых арматурных стержней повышается, 5лагодаря чему увеличивается их сопротивление сжатию в предельной стащи железобетонного элемента.

При деформациях сжатия бетона на уровне центра тяжести площади ;ечения арматурных стержней, расположенных у наиболее сжатой грани лемента, превышающих деформации , соответствующие пределу про-юрциональносги диаграммы растяжения стали, допускается при соблюде-1ии условия (16) увеличение сжимающих напряжений по линейной зави-имосги:

^."ГС = ' ^ ^ > (17)

ае о$с и - критические напряжения при потере устойчивости арматурных гержней, вычисляемые по формуле (6).

Используя вышеописанные расчетные условия и предпосылки, выпол-ены расчеты несущей способности опытных образцов.

За критерий исчерпания прочности в соответствии с моделью напряженно-деформированного состояния принято достижение деформациями сжатого бетона и арматуры в нормальном сечении элемента их предельных значений. Деформации железобетонных элементов определялись с использованием значений кривизны, укорочения и удлинения конлрукций по средним деформациям бетона и арматуры.

В результате целого ряда численных экспериментов, в ходе которых рассматривались различные варианты трансформации диаграммы "ав - ев", с учетом напряженно-деформированного состояния опытных образцов, введением поправочных коэффициентов ук и уе к значениям Кв и ек соответственно, или к координатам основной базовой точки диаграммы состояния бетона (рис. 2). При этом отмечено, что без введения поправочных коэффициентов к описанию диаграммы деформирования бетона сжатой зоны, расчетная несущая способность недооценивает до 40% полученную в опытах для образцов малой гибкости, а для образцов повышенной гибкости это расхождение сокращается. Дальнейшей корректировкой поправочных коэффициентов получено максимальное сближение расчетных и опытных значений предельных усилий и деформаций при постоянном значении ук , равном 1, и переменной величине координаты базовой точки по оси "г" диаграммы:

Г, = 2,19-0,2-/*-Д/60; (18)

где Л - гибкость конструкции, принимаемая в расчете Л 2 15; ¡л - процент армирования сечения продольной высокопрочной арматурой, (при ¡л > 4,7% принимаемый ¡л = 4,7% ).

Результаты сопоставления параметров напряженно-деформированного состояния и предельных усилий в опытных образцах с вычисленными по деформационному методу показали при доверительной вероятности Р=0,95 среднее отношение расчетных значений несущей способности относительно опытных данных составляет 1,049, среднеквадратическое отклонение среднего, не превышающее 9,6 % при границах доверительного интервала отклонений 0,93... 1,06 и коэффициенте вариации 9,15 %.

Область распространения предложений к уточнению деформационного метода ограничивается диапазоном варьирован™ основных факторов проведенных экспериментальных исследований. В связи с чем вводятся ограничения применимости рекомендуемых расчетных условий и предпосылок в следующих пределах: гибкость конструкций до 18; бетон тяжелый классов В20 ... ВЗО; проценты армирования сечений продольной высокопрочной арматурой сталью классов А800 ... А1000 в пределах 3 ... 7,5% в сочетании с поперечной арматурой в Еиде хомутов, обеспечивающих устойчивость при работе на сжатие продольных стержней.

В четвертой главе представлен анализ напряженно-деформированного состояния и несущей способности элементов с кососим-метрнчной схемой армирования поперечных сечений.

Установлено, что элементы с кососимметричным расположением арматурных стержней в поперечном сечении при нагружении кроме прогибов ю оси, совпадающей с начальным положением силовой плоскости, имели [рогибы также и в перпендикулярном направлении оси. При этом угловые юремещения силовой линии и нейтральной оси, имея направление в сторо-[у сечения с меньшим количеством арматуры, приводят к тому, что грани с юлее интенсивным армированием располагаются вблизи нейтральной оси, I результате чего снижается сопротивление сечения действию изгибающего юмента и уменьшается несущая способность гибких конструкций.

В связи с чем при кососимметричном смещении промежуточных тержней арматуры, расположенной у наиболее нагруженных граней сече-!ия, относительно среднего их положения на величину 20% и более рас-тояния до углового стержня расчет несущей способности сжатых конст-укций с гибкостью 12 и более следует выполнять, рассматривая работу сеяний как кососжатых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально-теоретическими исследованиями установлена вы-окая эффективность использования в сжатых железобетонных элементах азличной гибкости высокопрочной стержневой арматуры класса А800, жимающие напряжения в которой могут достигать 1000 МПа и зависят от редельных деформаций сжатого бетона.

Эффективность использования высоких механических характеристик ермоупрочненных арматурных стержней при сжатии повышается при уве-ичении процента армирования и кривизны конструкции, уменьшении высо-ы сжатой зоны и прочности бетона, [ 1 - 6 ].

2. Предельная деформация укорочения бетона связана с проявлением еупругих деформаций и с перераспределением усилий в сжатой зоне сече-ия, благодаря чему повышаются усилие и напряжения в упруго работающей ысокопрочной арматуре при одновременном снижении доли усилия, вос-ринимаемого бетоном.

Предложена экспериментально обоснованная зависимость для расчета редельной деформации наиболее сжатой грани внецентренно сжатого эле-[ента от высоты сжатой зоны, прочности бетона, процента армирования се-ения, механических характеристик арматурной стали, [2,5 ].

3. Параметры работы бетона сжатой зоны в виде коэффициентов р и со, арактеризующих положение равнодействующей и полноту прямоугольной пюры напряжений для стадии разрушения элемента, соответствуют услов-ой эпюре с равномерно распределенными по площади сжатой зоны напря-:ениями, равными призменной прочности бетона.

Оценка напряжений в бетоне сжатой зоны' аппроксимацией формы поры в виде трапеции и параболы показала, что. в стадии разрушения кон-грукций максимальные напряжения составляют 1,2... 1,4 призменной

прочности. В стадии потери устойчивости максимальные напряжения в бетоне сжатой зоны не превышают призменную прочность, [ 3,4,5 ].

4. Основная особенность работы гибких стоек, в отличие от работы коротких стоек, состоит в том, что в стадии потери устойчивости при достижении максимальной нагрузки прочность сжатой зоны оказывается неисчерпанной, благодаря чему сечения продолжают нести ниспадающую нагрузку при ускоренном развитии прогибов, деформаций и перераспределения деформаций в бетоне вплоть до разрушения. Разрушение коротких стоек происходит от достижения предельных напряжений в материале, т. с. по прочности, а разрушение сечений гибких стоек наблюдается после потери устойчивости, вслед за которой наступает разрушение сжатой зоны сечения при упавшей нагрузке, [2,5].

5. Разработаны рекомендации к уточнению нормативной методам: расчета несущей способности, учитывающие возможности более палногс использования при сжатии механических характеристик стержневой арматуры класса А800 и выше, а также снижение сопротивления сечения действии: изгибающего момента при кососимметричной схеме армирования. Разрабо таны рекомендации к расчету несущей способности сжатых железобетонные элементов применительно к методике расчета по деформационной модели ( использованием трансформированной диаграммы деформирования бетон; по зависимости ЕКБ - ФИП и диаграммы деформирования сжатой арматурь класса А800, учитывающей повышение сопротивления сжатию и устойчиво сти стержня при увеличении кривизны конструкции, [ 1 - 5 ].

6. Сравнение результатов расчета несущей способности, деформаций i прогибов образцов по методике, основанной на расчетной деформационно] модели, а также по методике норм, усовершенствованной применительно i армированию сечений высокопрочной сталью, с экспериментами показал* достаточно хорошее их соответствие, [ 4,5 ].

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Басовец С. А. Железобетонные колонны зданий и сооружений с вы сокопрочной ненапрягаемой арматурой // Материалы региональной научно теоретической конференции / Под ред. Ю. А. Гусева. - Минск: Академи аграрных наук Республики Беларусь, 1994. -С.184-190.

2. Попков Ю. В., Басовец С. А. Сжатые элементы железобетонны конструкций с высокопрочной стержневой арматурой // Перспективы ра: вития новых технологий в строительстве и подготовке июкенерных кадро Республики Беларусь: Сборник научных трудов / Под ред. Т. М. Пецольда. Минск: Белорусская государственная политехническая академия, 1996. С.58-63.

3. Басовец С. А., Попков Ю. В. Прочность сжатых железобетонны элементов с различными гибкостями и схемами расположения стержне арматуры в поперечных сечениях // Экспериментальные исследован*

инженерных сооружений: Материалы 8-й международной конференции "ЭИИС-98" / Бюллетень строительной техники. -М., 1998. -№10. -С.16.

4. Попков Ю. В., Басовец С. А. Прочность сжатых железобетонных элементов с различными гибкостями и схемами расположения стержней арматуры в поперечных сечениях // Материалы международной 53 -й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов Белорусской государственной политехнической академии. Часть 3 под ред. Г. П. Пастушкова / Министерство образования Республики Беларусь. БГПА. - Минск, 1999. - С. 18.

5. Попков Ю. В., Басовец С. А. Использование термоупрочненной арматурной стали в сжатых железобетонных конструкциях. // Белорусский строительный рынок. -Минск, 1999.- №4 -С.30.

6. Попков Ю. В., Басовец С. А., Кожановский С. А. К вопросу о степени использования высокопрочной арматуры в сжатых железобетонных конструкциях // Проблемы качества и надежности машин: Тезисы докладов республиканской научно-технической конференции, Могилев, 4-5 октября 1994 г. / Министерство образования Республики Беларусь. Могилевский машиностроительный шсгппуъ-М^^^^^^-С. 1

РЭЗЮМЭ

БАСАВЕЦ Святаслау Аляксандрав1Ч МОЦНАСЦЬ СЩСНУТЫХ ЖАЛЕЗАБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАУ РОЗНАЙ Г1БКАСЦ13 НЕНАПРАГАЕМАЙ ВЫСОКАМОЦНАЙ СТРЫЖНЯВОЙ АРМАТУРАЙ

Ключавыя словы: моцнасць, сщснутыя жалезабетонные элементы, пбкасць, высокамоцная стрыжнявая арматура, грашчная дэфармацыя бетона, напружана-дэфарм1раваны стан, косасемпрычнае арм1раванне, Ыметрычнае арм1раванне, методыка разл1ку, дыяграма дэфарлиравання.

Аб'ектам даследвання з'яуляюцца напружана-дэфарлйраваны стан нармальных сячэнняу сщснутых жалезабетонных элементау з прадольнай ненапружваемай арматурай у спалучэншз папярэчным ар\нраваннем хамута\п, эфектыунасць выкарыстання высок1х мехажчных характарыстык термаумацаваных сталей, метады разл!ку нясучай здольнасщ

Мэтай работы з'яуляецца разпрацоука рэкамендацый па разл1ку нясучай здольнасщ пры кароткачасовай сщснутасщ жалезабетонных элемекгауразнай пбкасщ з прадольнай ненапрагаемай арматурай класа А800 у спалучэнш з папярэчным арм1раваннем хамуш».

Упершыню атрыманы эксперыментальныя даныя аб нясучай здольнасщ шрапбах сщснутых жалезабетонных элементау рознай пбкасщ пры аметрычным 1 косааметрычным размяшчэнш у сячэнш прадольнай ненапружанай высокатрывалай арматуры, грашчных дэфармацыях бетона 1 арматуры, характарыстыках напружаннага стану бетона сщснугай зоны. Распрацаваны рэкамендадьн к разл1ку нясучай здольнасщ сщснутых жалезабетонных элементау з высокамоцнай арматурай прымяшма да методыцы дзеючых норма)?, а таксама прымяшма да методык разл1ку з выкарыстаннем дыяграм дэфармавання бетона 1 арматуры, яия ушчваюць магчымасш больш поунага выкарыстання высокамоцнай стрыжневай арматуры.

Практычная значнасць атрыманых вышкау складаецца з таго, што увышку праведзеных даследванняу атрыманы новыя даныя, яия дазва-ляюць*ацэньваць утишу пропбау колькасць прадольнай арматуры ¿схем яе размяшчэння У папярэчных сячэннях на напружана дэфарм1раваны стан у грашчных стадыях канструкцьп Рэкамедацьн арыентаваны на удасканаленне метадау разл1ку нясучай здольнасщ, дазваляюць павысщь дакладнасць метадауразл1ку 1 атрымаць больш эканам1чныя праектныя рашэннп сщснутых элементау канструкцый за лж больш поунага выкарыстання высогах мехшпчных характарыстык тэрмаумацаваных сталей.

РЕЗЮМЕ

БАСОВЕЦ Святослав Александрович ПРОЧНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗЛИЧНОЙ ГИБКОСТИ С НЕНАПРЯГАЕМОЙ ВЫСОКОПРОЧНОЙ СТЕРЖНЕВОЙ АРМАТУРОЙ

Ключевые слова: прочность, сжатые железобетонные элементы, гибкость, высокопрочная стержневая арматура, предельная деформация бетона, напряженно-деформированное состояние, кососимметричное армирование, симметричное армирование, методика расчета, диаграмма деформирования.

Объектом исследования являются напряженно-деформированное состояние нормальных сечений сжатых железобетонных элементов с продольной ненапрягаемой арматурой в сочетании с поперечным армированием хомутами, эффективность использования высоких механических характеристик термоупрочненных сталей, методы расчета несущей способности.

Целью работы является разработка рекомендаций по расчету несущей способности при кратковременном сжатии железобетонных элементов различной гибкости с продольной ненапрягаемой арматурой класса А800 в сочетании с поперечным армированием хомутами.

Впервые получены экспериментальные данные о несущей способности и прогибах сжатых железобетонных элементов различной гибкости при симметричном и кососимметричном расположении в сечении продольной ненапрягаемой высокопрочной арматуры, предельных деформациях бетона и арматуры, характеристиках напряженного состояния бетона сжатой зоны. Разработаны рекомендации к расчету несущей способности сглсатых железобетонных элементов с высокопрочной арматурой применительно к методике действующих норм, а также применительно к методике расчета с использованием диаграмм деформирования бетона и арматуры, учитывающие возможности бсшее полного использования высокопрочной стержневой арматуры.

Практическая значимость полученных результатов состоит з том, что в результате проведенных исследований получены новые данные, позволяющие оценивать влияние прогибов, количества продольной арматуры и схем ее размещения в поперечных сечениях на напряженно-деформированное состояние в предельных стадиях конструкции. Рекомендации ориентированы на усовершенствование методов расчета несущей способности, позволяют повысил, точность методоз расчета и получать более экономичные проектные решения сжатых элементов конструкций за счет более полного использования высоких механических характеристик гермоупрочненных сталей.

SUMMARY

BASQVETS Cvyaloslav Alexandrovich

STRENGTH OF COMPRESSED REINFORCED CONCRETE ELEMENTS OF DIFFERENT STIFFNESS WITH UNSTRESSED HIGH STRENGTH REINFORCING BARS

Key words: strength, compressed reinforced concrete elements, stiffness, high strength reinforcing bars, ultimate concrete strain (deformation), stress-strain state, unsymmeirical diagonal reinforcement, symmetrical reinforcement, method of calculation, stress (deformations) diagrams.

The research specimen is a stress-strain normal section of compressed reinforced concrete elements with unstressed lateral reinforcing bars, the effectiveness of applying high mechanical characteristical thermal treated steel, methods of bearing capacity calculations.

The aim of the work is the development of bearing capacity calculation recommendations of reinforced concrete elements with different stiffness, reinforced by class A800 unstressed lateral bars in conjunction with transverse bars under short-term compression.

For the first time, experimental data about the bearing capacity and sag of compressed reinforced concrete elements of different stiffness with symmetrical and unsymmetrica! diagonal positioned unstressed high strength section reinforcement, ultimate concrete and reinforcement strains (deformations), strain state characteristics of concrete in the compressed zone were acquired. Recommendations for bearing capacity calculations of compressed reinforced concrete elements with high strength reinforcements applicable with the code method as well as with the method based on the use of stress-strain material diagrams, which considers the possibilities of the whole use of the high strength reinforcing bars's mechanical properties were obtained.

The practical importance of the obtained results lies in that, new data which allows to access the effects of flexture, the amount and positioning of cross-sectional lateral reinforcements on the element's stress-strain state in the ultimate stages was obtained as a result of this research work. Recommendations oriented at improving bearing capacity calculations, which increases calculating method's exactness and obtain more economical project solutions of compressed construction elements due to a more wholly use of high strength thermal treated steel* mechanical properties.