автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность железобетонных колонн с предварительно обжатой высокопрочной арматурой

‘о

'О

і

Холод Петро Федорович

УДК.624.012.3.075.23

МІЦНІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОЛОН З ПОПЕРЕДНЬО СТИСНУТОЮ ВИСОКОМІЦНОЮ АРМАТУРОЮ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному університеті "Львівська політехніка" Міністерства освіти України

Наукові керівники: доктор технічних наук, професор Клименко Федір Єлисейович, професор кафедри “Будівельні конструкції та мости”

Державного університету "Львівська політехніка",

кандидат технічних наук, доцент Ониськів Богдан Миколайович,

доцент кафедри “Будівельні конструкції та мости”

Державного університету "Львівська політехніка".

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стороженко Леонід Іванович, професор кафедри “Металеві і дерев’яні конструкції”

Полтавського державного технічного університету ім. Ю. Кондратюка

кандидат технічних наук, доцент Барабані Василь Михайлович, доцент кафедри “Будівельні конструкції”

Львівського державного аграрного університету.

Провідна установа:

Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Держбуду України,

відділ теорії і методів розрахунку залізобетонних конструкцій (м. Київ)

Захист відбудеться “18” лютого 2000р. о 14 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 у Державному університеті "Львівська політехніка" (м.Львів, вул. Ст. Бандери, 12)

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Державного університету "Львівська політехніка" (м.Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “18” січня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К 35.052.11

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми: Однією з важливих проблем будівництва на даному етапі є проектування ефективних конструкцій з мінімальною затратою будівельних матеріалів. Цьому сприяє застосування в будівництві залізобетонних конструкцій з високоміцною арматурою.

Однак, повне використання характеристик міцності високоміцної арматури в стиснутих залізобетонних елементах обмежується граничною деформативністю бетону, при якому максимальне стискуюче напруження в арматурі не може перевищувати 400-500 МГІа. Окремими авторами запропоновано' в стадії виготовлення виконувати попередній обтиск високоміцної арматури, який дає можливість використати її характеристики міцності. Отримане зусилля попереднього обтиску в арматурі передається безпосередньо на бетон, що як правило, призводить до утворення тріщин. Це негативно впливає на роботу цих конструкцій.

В даній роботі запропоновано новий спосіб армування таких колон з застосуванням просторових арматурних каркасів з попередньо стиснутою високоміцною арматурою, в яких реактивні зусилля від обтиску передаються на арматуру низьких класів, яка входить в каркас і об’єднана з високоміцною торцевими металевими плитами. .

Запропонований метод армування стиснутих елементів дозволяє ефективно використовувати міцність високоміцної сталі і за рахунок цього отримати підвищення несучої здатності залізобетонних колон без збільшення проценту армування, а також отримати значну економію сталі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Робота виконана в рамках держбюджетної та госпдоговірної таматики НДЛ-23 кафедри “Будівельні конструкції та мости”, а також є складовою частиною науково-технічної програми РН55.08 “Матеріалоємкість”.

Мета роботи: Розробка залізобетонних колон для каркасних

багатоповерхових будинків під великі навантаження з мінімальною витратою матеріалів і високим рівнем уніфікації.

Задачі дослідження:

- опрацювання нового способу армування залізобетонних колон з використанням високоміцної арматури;

- розробка методу розрахунку запропонованих залізобетонних колон на основі детального вивчення їх напружено-деформованого стану на різних етапах їх завантаження;

- математичне моделювання напружено-деформованого стану колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою, яка базується на використанні реальних діаграм ст-є бетону та арматури.

Наукова новизна одержаних результатів

- розроблено новий спосіб армування залізобетонних колон для каркасни, багатоповерхових будинків під великі навантаження (більше 5 МН) : використанням стиснутої високоміцної арматури;

- розроблена методика експериментальних досліджень міцності деформативності стиснутих елементів із запропонованим способом армування прі центральному та позацентровому стиску з величиною ексцентриситет] е=(0,23...0,46)Ьо і гнучкості Хь=4...15;

- запропоновано інженерну методику розрахунку центрально- т; позацентрово стиснутих залізобетонних елементів з попередньо стиснутон високоміцною арматурою з врахуванням пружньопластичної роботи матеріалів;

- розроблено методику визначення напружено-деформованого стан; залізобетонних колон, армованих попередньо стиснутою високоміцною арматурою з застосуванням математичного моделювання і ЕОМ, при використанні реальни: діаграм а-н бетону та арматури, проведено числовий експеримент з метої виявлення діапазону раціонального застосування запропонованого типу колон.

Наукові положення, висновки та рекомендації, які сформульовані дисертаційній роботі, є теоретично обгрунтовані, а їх правдивість підтверджен результатами експериментальних досліджень та математичного моделювання, щ базуються на дискретному представленні конструкцій з використанням реальни діаграм “с-є” для арматури і бетону.

Практичне значення одержаних результатів

1. Розроблено новий спосіб армування колон, який дає можливіст застосовування їх в каркасах багатоповерхових будинків для великих навантажень з високим рівнем уніфікації.

2. Запропонована інженерна методика розрахунку міцності колон попередньо стиснутою високоміцною арматурою, при центральному позацентровому навантаженні.

3. Запропонована методика оцінки напружено-деформованого стану використанням математичної моделі, яка базується на дискретному представлені конструкцій і реальних діаграмах “ст-є” для арматури і бетону.

4. На основі теоретичних і експериментальних досліджень визначеі раціональна область застосування залізобетонних колон, армованих високоміцно арматурою.

На основі виконаних експериментальних досліджень та рекомендацій розрахунку стиснутих елементів з попередньо напруженими арматурни.\ каркасами, запроектовано несучий залізобетонний каркас 20-и поверхового будиш з раціональними уніфікованими розмірами поперечного перерізу колон, и дозволило отримати економію арматурної сталі в порівнянні зі звичайнил способами армування до 30%. Результати досліджень та запропоновані мето; розрахунку впроваджуються інститутом ВАТ “Львівтеплоелектропроект” експериментальному проектуванні будівель енергетичного комплексу.

з

Особистий внесок здобувача складає:

Розробка методики експериментальних досліджень та конструкції дослідних зразків; розробка способу виготовлення колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою та методики теоретичного визначення кроку поперечних фіксаторів для забезпечення стійкості стержнів високоміцної арматури при попередньому обтиску; експериментальні дослідження колон; перевірка достовірності та уточнення запропонованої методики розрахунку на основі результатів експериментальних досліджень; числовий експеримент на базі створеної математичної моделі напружено-деформованого стану колон з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою.

Апробація результатів дисертації .

Основні результати роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Вдосконалення методів розрахунку і проектування сучасних видів будівельних конструкцій” (Рівне, 1988); на науково-технічній конференції, присв’яченій 100-річчю з дня народження професора А.С.Курила (Львів, 1989); на ХУ науково-виробничій регіональній нараді “Автоматизація, проектування і дослідження залізобетонних багатоповерхових будинків (Львів, 1989); на республіканській науково-технічній конференції “Вдосконалення залізобетонних конструкцій, які працюють на складні деформації і їх впровадження в будівельну практику” (Полтава, 1989); на ХХХУ конференції по будівництву в Польщі “Конструкції бетонові” (Вроцлав-Кршшця, 1989); на науково-практичній конференції “Дослідження роботи і застосування в будівництві ефективних елементів конструкцій (Рівне, 1990); на XXXIX науковій конференції по будівництву в Польщі “Науково-дослідницькі проблеми в будівництві” (Варшава-Криниця-Жешув, 1993); на конференції до 150-річчя ЛП1 “Проблеми теорії та практики будівництва” (Львів, 1994); на першій Всеукраїнській конференції “Науково-ірактичні проблеми сучасного залізобетону” (Київ, 1996); на конференції ірисв’яченій 25-років сталебетонним конструкціям з зовнішнім армуванням (Львів, 1996); на науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції іудівлі та споруди” (Рівне, 1999); на науково - технічних конференціях інженерно -будівельного факультету і наукових семінарах каферди “Будівельні конструкції та лости” в ДУ “Львівська політехніка” в 1984-1999 роках.

Публікації

По темі дисертації опубліковано 11 друкованих праць, в тому числі 4 статті у їіснику ДУ “Львівська політехніка”; 1 стаття у Віснику Рівненського державного ехнічного університету; 4 тези-доповіді на загально-українських конференціях; 1 таття-доповідь на міжнародній конференції; 1 тези доповідей на міжнародній онференції.

Структура дисертації

Робота складається зі вступу, п’яти розділів, висновків та додатків. Загальний б’єм 174 сторінки, в тому числі 123 сторінки тексту, список літератури з 182 икористаних джерел на 19 сторінках, додатки на 32 сторінках, 87 рисунків, З аблиці.

Автор висловлює щиру подяку науковим керівникам д.т.н., проф. Клименку Ф.Є., к.т.н., доц. Ониськіву Б.М. за керівництво та к.т.н., доц. Бліхарському З.Я. за всесторонню допомогу при виконанні дисертаційної роботи, а також всім членам кафедри, лабораторії.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В передмові обгрунтована необхідність виконання досліджень стиснутих залізобетонних елементів, армованих високоміцною арматурою, формулюється мета і задачі дисертаційної роботи.

Розділ І. Виконано аналітичний огляд технічної літератури. Питаннями дослідження стиснутих залізобетонних елементів займалися ряд відомих вчених як в нашій країні так і за кордоном: А.Г.Азізов, Є.М.Бабич, В.Я.Бачинський, А.М.Бамбура, В.Н.Бойцов, П.Ф.Вахненко, Л.А.Вайцекаускас, О.О.Гвоздев, А.Б.Голишев, І.І.Градюк, В.Н.Гусаков, В.Г.Житушкін, В.Г.Казачок,

A.Н.Ковальський, А.Г.Клочков, . К.К.Лазаревічус, Г.А.Лакюнас, Д.Р.Маілян, Б.М.Ониськів, Т.М.Пецольд, Л.І.Стороженко, В.В.Сімейко, Е.А.Чистяков,

B.Є.Чубаров, І.Алкок, С.Арони, Н.Д.Натан, М.М.Шпак.

Всі ці дослідження направлені на досягнення максимальної несучої здатності стиснутих елементів та економію арматури.

Аналіз способів підвищення несучої здатності колон показав, що один із найбільш ефективних та економічно доцільних методів є застосування в якості робочої високоміцної арматури. Різними авторами опрацьовано цілий ряд пропозицій з застосуванням високоміцної арматури в стиснутих елементах, а саме: сумісно з дисперсним армуванням конструкцій; з попереднім натягом високоміцної арматури; з попереднім розтягом високоміцної арматури в комбінації із звичайною; попередньо стиснутою високоміцною і ненапруженою арматурою; із попередньо стиснутою в комбінації із попередньо розтягнутою високоміцною арматурою. Ці методи детально описані в даному розділі. Основною їх метою було максимальне використання характеристик міцності високоміцної арматури. Основним недоліком цих пропозицій є те, що зусилля попереднього обтиску і попереднього натягу передається безпосередньо на бетон під час виготовлення конструкції. Це супроводжується появою та розкриттям тріщин в бетоні до прикладення навантаження на колону. При цьому значно зменшується несуча здатність стиснутих елементів. Не вивчено детально напружено-деформований стан колон з використанням попередньо обтиснутої високоміцної арматури в процесі їх роботи, а також до кінця не вирішено питання методики розрахунку міцності таких елементів.

В зв’язку з цим випливають такі напрямки досліджень:

1. Розробити ефективні конструкції колон під великі навантаження із застосуванням високоміцної арматури.

2. Розробити інженерний метод розрахунку центрально- та позацентрово стиснутих залізобетонних елементів з високоміцною попередньо стиснутою арматурою на базі існуючих норм.

3. Розробити математичну модель для вивчення напружено-деформованого :тану запропонованого типу залізобетонних колон з дискретним предсталенням данструкції та використанням реальних діаграм “о-е” бетону і арматури.

4. На базі математичної моделі провести числовий експеримент з метою виявлення діапазону раціонального використання колон, армованих просторовими саркасами з попередньо стиснутою високоміцною арматурою.

5. Розробити методики експериментальних досліджень та конструкції дослідних зразків залізобетонних елементів з використанням попередньо стиснутої шсокоміцної арматури при центральному і позацентровому стиску.

6. Розробити методику розрахунку стійкості стержнів попередньо стиснутої шсокоміцної арматури при виготовленні просторових арматурних каркасів.

7. Виконати експериментальні дослідження зразків колон з діапазоном 'нучкостей А.ь=4... 15 при центральному та позацентровому стиску.

Розділ 2. Розглядаються експериментальні дослідження стиснутих і&іізобетонних елементів з використанням просторового арматурного каркасу, в ікому реактивна сила від обтиску високоміцної арматури передається 5езпосередньо на арматуру низьких класів через опорні пластини.

Згідно з програмою досліджень запроектовано, виготовлено і випробувано 5 :ерій дослідних зразків колон з поперечним перерізом 200x200 мм і довжиною 800, !000, 3000мм в загальній кількості 20 зразків. Зразки 1 серії з високоміцною ірматурою 4018АтУ і кутниковою арматурою класу ВСтЗкп2 4/150x5 (рис.1).

^—А—,

(—IX— ~и

-0 ■Ог -

ч і?

0 о-

1—їх ■ 11

¥7 ї

’ис.1. Армування колон 1 серії. 1-попередньо напружена розтягнута арматура ;ласу ВСтЗкп2; 2-високоміцна попередньо стиснута арматура класу Ат-У018: 3-:пеціальна металева опорна пластина; 4-поперечна арматура класу А-І06: 5-:гіеціальні фіксатори; б-сітки.

і

Всі інші серії армовані високоміцною арматурою 4018АтУ і 402ОАІІ (рис.2)

І ї

. ---------Д------------ІЦ-

А-А

Рис.2. Армування колон серій II, III, ІУ, У. 1-поперєдньо розтягнена арматура класу А-ІІ 020; 2-попередньо стиснута арматура класу Ат-У 018; 3-опорна металева плита; 4-поперечна арматура; 5-спеціальні фіксатори; 6-сітки.

В І і II серіях виготовлено по 2 зразки з попередньо напруженими і 2 бе: попереднього напруження арматурних каркасів, в III серії дослідних залізобетоннії? колон високоміцна арматура використовувалась без зчеплення з бетоном, : частковим попереднім її напруженням і без попереднього напруження. Дл* проведення експериментальних досліджень розроблена методика випробуванії; центрально стиснутих коротких елементів І, II, III серій, які випробовувались ш 500-тонному пресі у вертикальному положенні з кулеподібними шарнірами. Дл^ випробування ІУ серії зразків розроблена методика позацентрово стиснути? коротких елементів з е0=(0,23...0,4б)Ьо, які також випробовувалися на 500-тонном) пресі, але з ножевими шарнірами, а також розроблена методика випробування довгих зразків з Я.ь=10 і 15 при центральному і при позацентровому стиску Експериментальні дослідження зразків довжиною 2 і 3 м проводились т спеціальному стенді в горизонтальному положенні з використанням ножеви> шарнірів. Результати випробовувань залізобетонних колон з попередньо стиснуток високоміцною арматурою наведені в таблиці 1.

Запропонований спосіб армування стиснутих елементів високоміцнок арматурою може бути ефективно використаний при умові забезпечення стійкост арматурних стержнів під час попереднього їх обтиску. В зв’язку з цим булг розроблена методика визначення кроку поперечних фіксаторів для високоміцно' арматури, згідно з якою стиснута та розтягнута арматури з’єднуються між собок поперечними спеціальними фіксаторами з певним кроком по довжині елемента. Ця

Результати досліджень залізобетонних колон

Таблиця 1

Се рія Шифр колон Дов жи-на, / мм Екс- цен- три- си- тет, мм Гну ч- кіс TbX„ Рі- вень натя гу арма тури сг5р, МПа Рі- вень стис- ку арма- тури, стір, МПа Зусилля натягу (обти ску) арматури N. кН Поява тріщи- ни ^"сгс, кН Несуча здатність дослідних колон, кН Л'г л'е

Експер нмента льна, Nc Теоре- тична, NT

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

І КУО-Іа 800 0 4 - - - 1600 2100 2140 1,02

КУО-16 800 0 4 - - - 1800 2100 2140 1.02

КУН-Іа 800 0 4 161 304 309 2000 2300 2570 1,07

КУН-16 800 0 4 165 311,5 316 1800 2300 2570 1,07

II КСО-Іа 800 0 4 - - - 1800 2100 2095 1,00

КСО-16 800 0 4 - - - 1800 2100 2095 1,00

КСН-1а 800 0 4 185 228 232 2000 2400 2520 1,05

КСН-Іб 800 0 4 188 232 236 2000 2400 2520 1.05

III КСОз-За 800 0 4 - - - 1600 2000 2150 1,08

КСОз-Зб 800 0 4 - - - 1600 1900 2150 1,00

КСНз-За 800 0 4 100 125 125,6 1800 1800 1975 1.13

КСНз-Зб 800 0 4 100 125 125,6 1800 1800 1975 1,13

ІУ КСН„;-4а 800 35 4 252 310 316 1300 1300 1259 0,97

КСНл,-4б 800 35 4 257 317 323 1100 1200 1259 1 1,05

KCHj’-4a 800 70 4 262 323 329 500 850 854 1 1.00

KCHdr46 800 70 4 273 336 342 700 800 854 1 1.07

У КСН2-2а 2000 0 10 262 323 329 2000 2200 1830 ! 0,83

КСН2-26 2000 35 10 257 317 323 1200 1400 1340 1 0,95

КСНЗ-2а 3000 0 15 252 310 316 1200 1600 1540 і 0,96

КСНЗ-26 3000 0 15 257 317 323 1100 1400 1540 1 1,1

методика опрацьована на основі методики розрахунку центрально стиснутого :тержня на пружно-податливих опорах, запропонованої проф. Тимошенком С.П.

Прирівнюючи розрахункове зусилля попереднього обтиску стержня (Му) з <ритичною силою (Р„) можна визначити кількість півхвиль К за умовою

(О

к=--+.

2 \;

ї'+4

+ ■

1

Кількість проміжних опор для стиснутого стержня і буде відповідати кількості іівхвиль.

Розділ 3. Приведені результати, які дозволили оцінити напружено-їеформований стан колон на всіх стадіях завантаження включно до руйнування при дентральному та позацентровому стиску. В серіях І і II випробовувались зразки-злизнюки без попереднього напруження та з попереднім обтиском високоміцної ірматури. Як видно з графіків залежності деформації арматури від навантаження рис.З) в колонах з попередньо обтиснутою арматурою деформації стиску в ірматурі класу А-ІІ в кінцевій стадіях випробовування складають є3=170х 10'5, з з

а б

Рис. 3. Деформації стержневої арматури в колонах КСН-Іа, 16; КСО-Іа, 16. а-класу А-ІІ; б-класу Ат-У; 1 - без попереднього розтягу; 2 - з попереднім розтягом; З - без попереднього обтиску; 4 - з попереднім обтиском.

врахуванням деформації попереднього розтягу £,=260x10° . Для ненапруженш колон деформації арматури А-ІІ перед руйнуванням зразків становили є5=175x10° що як і в попередньому випадку наближено відповідають напруженням на межі текучості. Деформації високоміцної арматури Ат-У на цьому ж рівні завантаження е попередньо напружених зразках складали при випробуваннях £5р=270х10° , а повні з врахуванням попереднього обтиску 8^=390x10‘5, що відповідає напруженням 702 МПа. Деформації високоміцної арматури в ненапружених колонах складали 215x10 що відповідає напруженням 385 МПа, які майже в два рази менші в порівнянні з попередньо напруженими зразками. Величини деформацій арматури вказують на те, що міцність арматурних сталей в попередньо напружених зразках практично повністю використовується. В ненапружених це відноситься тільки до арматури низьких класів, а високоміцна арматура використовується на 40-50 %. Крім цьго необхідно зауважити, що в попередньо напружених зразках колон зафіксовано підвищену граничну деформативність бетону в порівнянні із ненапруженими.

В колонах без зчеплення високоміцної арматури з бетоном та з частковим попереднім її обтиском зафіксовано деяке зменшення величини несучої здатності, викликане передачею сил попереднього напруження арматури тільки на бетон під час завантаження, тому для їх застосування потрібне виконання додаткових досліджень.

При позацентровому стиску колони випробовувались з ексцентриситетом е0=3 5 мм, що відповідає радіусу ядра перерізу, та з са=70 мм . Зі сторони стиснутої грані досягнуто повне використання характеристик міцності попередньо обтиснутої високоміцної та попередньо розтягнутої арматури класу А-ІІ. Руйнування пройшло

внаслідок роздроблення бетону стиснутої ділянки перерізу і мало раптовий характер. Відносні руйнуючі зусилля при е0=35 мм зменшились на 20...25 % в порівнянні з центрально стиснутими колонами, а при е0=70 мм на 47 %. В зразках довжиною 2000 мм при е0=35 мм руйнуючі зусилля зменшились на 45 % (табл. 1).

Вплив гнучкості вивчався при випробуванні центрально завантажених колон довжиною 2000 і 3000 мм, тобто з гнучкістю X.h=10 і 15. При випробуванні колон довжиною 2000 мм особливого впливу гнучкості не спостерігалося. Руйнування їх пройшло при навантаженнях на 10 % менше, ніж в аналогічних коротких колонах з A.h=4. Характеристики міцності арматури були використані повністю. Значний вплив гнучкості простежувався при випробуванні колон довжиною 3000 мм з гнучкістю Я.ь=15. їх руйнування пройшло раптово внаслідок втрати загальної стійкості з роздробленням бетону посередині зразка. Руйнівні навантаження зменшилися в порівнянні з короткими в 1,5 і 1,7 разів.

Розділ 4. Для розрахунку центрально стиснутих елементів рекомендується використати наближену методику СНиП 2.03.01-84 з врахуванням особливості їх армування. Перевірка міцності здійснюється тільки в найбільш напруженому терерізі, а вплив прогину враховується коефіцієнтом збільшення напружень (<р).

МІЦНІСТЬ залізобетонних елементів прямокутного перерізу при гнучкості ?'*h<20 зизначається за формулою

N < <p{RB ■Ав+(т,рс ■ Агрс + tr« ■ А,р) (2)

<p = <pb+2{<psb-<pb)as <<р5Ь (3)

(4)

a' = lwT

ут <рь, <psb - коефіцієнти, які враховують гнучкість; ASJ0, - сумарна площа арматури в ерерізі; Кь, Аь - розрахунковий опір та площа поперечного перерізу бетону; ст-рс.; spc - максимальні напруження та площа поперечного перерізу високоміцної рматури; asc; Asp - максимальні напруження стиску та площа поперечного перерізу рматури низьких класів.

а/

н,

tr : ~__j

Г — і U М-

!

і і—і

6>spc/4s/>c.

-toip

ic. 4. Розрахункова схема центрально стисненого елемента.

«V = К*Рс - О-, - ОГ2 - СГ3 + а8 - С9 < Ііірс (5)

<г,с = Е,с'єи,ь ~(Кр-<7і-<72-о-3-сг8-а9) < Я5р (б)

тут Яірс, Я1р- розрахункові опори попередньо обтиснутої і попередньо розтягнутої арматури; 07, а2, о~з, стд - втрати попереднього напруження в арматурі від релаксації, деформації анкерів, усадки і повзучості бетону; Езс- модуль пружності попередньо розтягнутої арматури; єи,ь- гранична деформація бетону при стиску.

Площа поперечного перерізу високоміцної попередньо стиснутої арматури визначається за формулою

N - • А (7)

$рс

а площа поперечного перерізу звичайної попередньо розтягнутої арматури за формулою

А КУС~ЕУС 'Є»Ь . (8)

V р ' V'

!Р

де (73рс.о - напруження попереднього обтиску високоміцної арматури;

а5ік.о = ^і/;г ” ; ЕІрс - модуль пружності попередньо обтиснутої арматури.

При позацентровому стиску будівельні норми рекомендують розраховувати позацентрово стиснуті елементи за наближеною методикою з врахуванням ексцентриситету прикладення повздовжньої сили. Розрахунок елементів

прямокутних перерізів із запропонованим симетричним армуванням високоміцною арматурою Ат-У і звичайною А-ІІ пропонується виконувати за нормативними рекомендаціями в залежності від величини відносної висоти стиснутої ділянки поперечного перерізу, тобто від випадку позацентрового стиску з врахуванням попереднього обтиску високоміцної і попередньо розтягненої звичайної арматури за умовою

Аг-е<Яь -Ь-х(И0-0,5х)+ сгіс Л]р (И0-а'р)+ а]рс Л\рс (И0 - а'рс) (9)

Вплив прогину елемента враховується шляхом збільшення величини

ексцентриситету прикладення сили, перемножуючи його на коефіцієнт, який визначається за формулою

1 (10)

ксг

Розрахунковий ексцентриситет визначаємо за формулою

е = (ео + еа)п + °.5(й0 ~ао) (11)

Ьо; х|

-------І-----------!

----ст'зсА'зр

----ОБрсЛ^рС

О^рсАэрс

а'зсА'вр

: /ар

у** ^

А^рс.^

арс.

-// /

Ьо Ь

Аэрс

арс ар

А5р

Ь

Рис.5. Розрахункова схема позацентрово стиснутого елементу

Умовна критична сила згідно з нормами визначається із умови

*Л

(12)

гут 5 враховує непружні деформації при роботі залізобетонних конструкцій на ;тиск і визначається за формулою

<5 = 8

0,11

0,1 + — <Рр

+ 0,1

+ а-

(13)

п

(14)

Аналіз результатів експериментальних досліджень показав, що на величину )Є;тіп має певний вплив процент армування конструкцій, тому

- 0,5 -0,01 ~ - 0,01/?й +\0/л ’ п

(15)

У зв’язку з розприділеним розташуванням арматури в перерізі колони юзрахунок міцності виконується за уточненою методикою СНиП 2.03.01-84 загальний випадок).

Відносна висота стиснутої ділянки перерізу визначається за формулою:

в формулі (16) приймається найбільше значення СГдк і СТзс.и. тобто для високоміцної арматури

(17)

= Rlpc + 400

(18)

(19)

(20)

=400 при ув2=1... 1,1 а!с,и - 500 при Ув2=0,9 При визначенні ^еі,

= Р Крс

Р=0,8 - згідно з СНиП 2.03.01-84

Висоту стиснутої ділянки перерізу і напруження в і-му стержні повздовжньої арматури визначаємо із сумісного розв’язування рівнянь:

ЯЬАЬ = Цсгірс.Ат. +а5ріА$рі)

при ^

При £,.і >^і >^Rj

°s, = Rs

СТ„ =

-07-1)

r Е. Л

2——1

\ %r, ;

.‘зеі ~ 4 т і

<nRs

R

(21)

(22)

= ■

1-

ш

ІЛ

т

1,'

+ сг„

(23)

(24)

для попередньо стиснутої арматури класу Ат-У GSpi=0, а для попередньо розтягненої арматури aspj дорівнює напруженням попереднього натягу.

В цих формулах: Аь - площа стиснутої ділянки бетону; As„, - площа перерізу і-го стержня повздовжньої попередньо розтягнутої арматури; Aspci - площа перерізу і-го стержня повздовжньої попередньо стиснутої арматури; aspi - напруження в /-му стержні поздовжньої арматури Aspi; aspa - напруження в і-му стержні поздовжньої арматури AspCi; ^ - відносна висота стиснутої ділянки, яка рівна ^=X/h0i, де h0i -віддаль від осі, яка проходить через центр ваги перерізу г-го стержня арматури і прямою, що проведена через найбільш віддалену точку стиснутої ділянки перерізу паралельно до нейтральної осі; £/,і - відносна висота стиснутої ділянки, яка

відповідає напруженням в і-му стержні відповідно рівним Я5| і РЯ,і, значення визначають за формулою (16), значення £/,* -також за формулою (16) приймаючи = рК-Бі- Результати розрахунків експериментальних зразків колон за запропонованою методикою подано в таблиці 1.

Розділ 5. Подано методику визначення напружено-деформованого стану колон з високоміцною попередньо обтиснутою арматурою, яка базується на використанні реальних діаграм “ст-є” для бетону і арматури. В основу розрахункової моделі покладено дискретне представлення залізобетонного стержня та- гіпотезу плоских перерізів. Прийнято, що колона складається з окремих елементарних ділянок “і” вздовж осі, елементарних шарів “к” по висоті перерізів та арматурної сталі “я”. Таким чином колона розбивається на елементарні прямокутні ділянки в площині дії зусиль. Внутрішні зусилля, деформації та напруження в межах ділянок елементарних шарів прийнято постійними. їх величина встановлюється на рівні серединних площин. Для обчислень застосовано метод послідовних наближень. Передбачено поетапне завантаження колони. На кожному гтапі завантаження визначають зведені до модуля деформацій характеристики перерізу.

За наявних значень зведених геометричних характеристик перерізів та інутрішніх зусиль в них N1, М| визначались відносні деформації бетону та арматури.

В першому наближенні значення реальних модулів деформації приймалися івними початковим модулям пружності ЕЬ: ІІ = £м,£м =

За отриманими відносними деформаціями єьі.к та £■*,-„ на підставі реальних іаграм “о-є” для бетону та арматури обчислювались фактичні напруження, що іють в кожній з елементарних ділянок. Для опису реальних діаграм прийнято араболічну залежність за рекомендаціями ФІП-ЕКБ:

(25)

К

(26)

І = 1

П= 1

У І ГЄСІ,І .

(27)

(28)

(29)

(ЗО)

О- ^{Кп-у2)

ь‘ 1 + (*0-2>7

За обчисленими напруженнями та деформаціями виконували корекцію значень січних модулів Е6іІС = аЬ іі ; £Л. = а, /£,•

З використанням уточнених січних модулів бетону та арматури знов) вираховувалися зведені модулі деформацій, геометричні характеристики перерізІЕ Лгел',ЗгЫ1;у1;1пл'1 Цикл вичислювань повторювався до того часу, поки отримані результати не будуть достатньо близькими у двох сусідніх ітераціях. За точність розрахунку приймалось розходження 0,1%. Якщо на якійсь із елементарних ділянок деформації стиску перевищували граничне значення єЬік >єЬи, вважалось, ще пройшло руйнування бетону при стиску. Якщо деформації розтягу перевищували граничне значення еЫ :к > єь, , вважалось, що в даному шарі пройшла тріщина, і цеіі шар виключався з роботи шляхом обнуления єЬА = 0,відповідно якщо в арматурі деформації перевищували граничні значення фіксувалось її руйнування.

Обчислення переміщень осі стержня визначали на підставі відомого вираз) Мора, замінивши інтегрування сумуванням

За допомогою запропонованої методики промодельовано роботу дослідник зразків колон на всіх стадіях завантаження. Отримані руйнівні зусилля показали достатньо точну сходимість з результатами експерименту, що підтверджус достатньо високу надійність запропонованої методики. На піставі цього з використанням описаної методики виконано числовий експеримент, в якому промодельовано роботу залізобетонних колон перерізом 200x200мм та довжиною 800, 2000, 3000мм з високоміцною попередньо обтиснутою арматурою при класах бетону В20...В40 та ексцентриситетах <2=0...21см. Армування було аналогічне дослідним зразкам. На підставі числового експерименту встановлено, що найбільш раціональним є застосування запропонованого типу колон з високоміцною попередньо стиснутою арматурою при ексцентриситетах, що не виходять за межі ядра перерізу.

1. Розроблено новий спосіб армування залізобетонних колон для каркасних багатоповерхових будинків під великі навантаження (більше 5 МН) із застосуванням змішаного варіанту армування з попередньо обтиснутою високоміцною арматурою і передачею зусилля попереднього обтиску не на бетон, £ на арматуру низьких класів через опорні пластини просторового каркасу, внаслідок чого вони будуть попередньо розтягнутими. При цьому утворюється взаємне зрівноважений попередньо напружений арматурний каркас.

2.3 метою максимального використання характеристик міцності попередньо розтягнутої арматури в стиснутих елементах її приймають із арматурної сталі клас) А-ІІ і кутників ВСтЗкп2, які враховуючи максимальну деформативність бетону ні стиск (є,=200...250-10'5), в граничній стадії роботи колони будуть працювати не стиск.

тах

М;М

тах

(32)

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

І. Розроблена детально програма і методика експериментальних досліджень роботи ггиснутих елементів із запропонованим способом армування для визначення дійсного напружено-деформованого стану при центральному та позацентровому :тиску з ексцентриситетом (0,23...0,46) Ь0 і гнучкості Хь=4...15. В дослідних зразках <олон застосовується високоміцна арматура Ат-У в комбінації зі стержнями класу \-ІІ та кутниками із сталі ВСтЗкп2. В окремих зразках високоміцна арматура Ат-У іастосовувалась без зчеплення з бетоном. В загальному було випробувано 5 серій солон в сумарній кількості 20 зразків.

Випробування зразків-колон при різних схемах прикладення навантаження дозволило визначити межі раціонального застосування запропонованого способу ірмування стиснутих елементів з використанням високоміцної арматури..

5. Аналізом результатів експериментальних досліджень підтверджено високу ;фективність запропонованого способу армування ззалізобетонних стиснутих міементів просторовими каркасами з попередньо обтиснутого високоміцною ірматурою із м’яких сталей класу А-ІІ та ВСтЗкп2.

5. В результаті виконаного попереднього обтиску стержнів високоміцної арматури \т-У в граничній стадії роботи стиснутих елементів досягнуто максимального зикористання характеристик міцності високоміцної сталі. Застосування в іросторових арматурних каркасах для сприйняття зусилля обтиску високоміцної ірматури елементів із м’яких сталей (А-ІІ; ВСтЗкл2) дало можливість також товністю використати характеристики її міцності на стиск. В граничній стадії зоботи більшості експериментальних зразків було досягнуто одночасного руйнування бетону, високоміцної арматури Ат-У та арматури низьких класів.

1. Запропоновано рекомендації з розрахунку центрально і позацентрово стиснутих :лементів з попередньо напруженими каркасами з врахуванням пружно-пластичної >оботи матеріалів на базі рекомендацій СНиП 2.03.01-84 та результатів виконаних ікспериментальних досліджень. Порівняльний аналіз результатів теоретичних >озрахунків за запропонованою методикою та експериментальних досліджень юказали добре ствяадіння даних, дцо підтвердило достатню достовірність .іетодики розрахунку.

!. Розроблено методику визначення напружено-деформованого стану колон з юпередньо обтиснутою високоміцною арматурою на базі дискретного іредставлення конструкцій з використанням реальних діаграм ст-є бетону та ірматури за допомогою ЕОМ. Діаграми описані на основі параболічної залежності, іапропонованої ФІП-ЕКБ.

>. На базі розробленої методики визначення напружено-деформованого стану колон ; попередньо стиснутою високоміцною арматурою проведено числовий эксперимент, в ході якого промодельовано роботу колон при центральному та юзацентровому стиску з ексддентриситетами до 210мм. Армування та розміри юперечного перерізу колон прийняті аналогічними дослідним зразкам. При цьому імінювався клас бетону в межах В20...В40. Довжина колон змінювалася в межах Ю0...3000мм. На підставі результатів числового експерименту встановлено, що іайбільш раціональним є застосування колон з попередньо обтиснутою

високоміцною арматурою з невеликими ексцентриситетами, що не виходять з; розміри межі ядра перерізу.

Ю.На підставі використання результатів виконаних експериментальних досліджені та рекомендацій з розрахунку стиснутих елементів з попередньо напруженим! арматурними каркасами, запроектовано несучий залізобетонний каркас 20-і поверхового будинку з уніфікованим розміром поперечного перерізу колон 400х40С мм, постійним по всій висоті будинку, що дозволило отримати економію арматурно' сталі в порівнянні зі звичайними способами армування до 30%. Крім цього зі рахунок однотипних вузлів з’єднання ригелів з колонами досягнуто зменшенні трудоємкості виконання робіт, кількості типорозмірів ригелів та інших конструкції каркасу.

11.Результати досліджень та запропонованої методики розрахунку вироваджуютьс? інститутом ВАТ “Львівтеплоелектропроект” в експериментальному проектуванн будівель енергетичного комплексу з колонами під високі навантаження.

ПУБЛІКАЦІЇ

І.ОНЬІСЬКИВ Б.Н., ХОЛОД П.Ф. Эффективное использование высокопрочно? арматуры в сжатых сталебетонных элементах. Республиканская научно-техническая конференция// Совершенствование железобетонных конструкций работающих нг большие нагрузки и их внедрение в строительную практику. - Полтава, 1989, -С.142-143.

2. ОНЫСЬКИВ Б.Н., ХОЛОД П.Ф. Прочность центрально сжатых коротких железобетонных элементов с предварительно обжатой высокопрочной арматурой// Весник ЛПИ № 233. “Резервы прогресса в архитектуре и строительстве”, Изд-во при ЛГУ изд.объединение “Вища школа”, 1989, - С.76-78.

3. ОНЫСЬКИВ Б.Н., ХОЛОД П.Ф.Устойчивость высокопрочных стержней е железобетонных элементах с предварительно обжатой арматурой. Научнопрактическая конференция// Исследование работы и применения в строительстве эффективных элементов и конструкций. Тезисы докладов. Ровно. 1990. - С.87-88.

4. ОНЫСЬКИВ Б.Н., ХОЛОД П.Ф. Армирование сжатых элементов высокопрочной арматурой// XXXIX Konferencija Naukowa Komitetu Inz. Lodowej і Wodnej PAN і Komitetu Nauki PZITB “Problemy Naukowo Badawcze Budownictvva” Warszawa-Krrynica-Rzeszow, 1993, - S.161-168.

5. ОНИСЬКІВ Б.М., ХОЛОД П.Ф. Стиснуті сталебетонні елементи з арматурок високої міцності// Вісник ЛПІ № 252. “Резерви прогресу в архітектурі те будівництві”, Вид-во “Світ”, Львів, 1991, - С.80-82.

6. ОНИСЬКІВ Б.М., ХОЛОД П.Ф. Методика розрахунку коротких стиснутих залізобетонних елементів, армованих високоміцною арматурою// Вісник ЛПІ № 278. “Резерви прогресу в архітектурі та будівництві”, Вид-во “Світ”, Львів, 1994, -С.77-82.

7. ОНИСЬКІВ Б.М., ХОЛОД П.Ф. Залізобетонні колони для каркасних багатоповерхових будинків// Перша Всеукраїнська науково-технічна конференція// Науково практичні проблеми сучасного залізобетону. Збірник тез. Київ. 1996

С.330-333.

ОНИСЬКІВ Б.М., ХОЛОД П.Ф., СОРОКА Я.В., КАНЮК В.М., ГНАТЮК Т.О., Іівша П.Р. Результати досліджень в ділянці удосконалення залізобетонних онструкцій будинків та споруд і методів їх розрахунку// Збірник матеріалів :онференції до 150-річчя ЛПІ “Проблеми теорії та практики будівництва”, Львів -994. - С. 228-242..

ХОЛОД П.Ф. Применение высокопрочной арматуры в сжатых елементах// Іаучно-техническая конференция поев. 100-летию со дня рождения проф., д.т.н. "урыло А.С., Львов, 1989, С. 114-115.

0. ХОЛОД П.Ф., ГНАТЮК О.Т. Стиснуті сталебетонні елементи з арматурою исокої міцності// Збірник матеріалів конференції присвяченої 25-річчю талебетонних конструкцій із зовнішнім армуванням. Львів, 1996, - С.87-89..

1. ХОЛОД П.Ф. Вплив попереднього напруження робочої арматури на жорсткість олон// Вісник Рівненського державного технічного університету “Ресурсоекономні іатеріали, конструкції, будівлі та споруди”, збірник наукових праць, випуск 3. івне., 1999, С.279-284.

АНОТАЦІЇ

Холод Петро Федорович. Міцність залізобетонних колон з попередньо тиснутою високоміцною арматурою - рукопис.

Дисертація на здобутття наукового ступеня кандидата технічних наук за пеціальгіістю 05.23.01,- Будівельні конструкції, будівлі та споруди - Державшій ніверситет “Львівська політехніка”, Львів, 2000р.

В дисертації розглядаються експериментальні та теоретичні дослідження ілізобетонних стиснутих елементів з новим способом армування просторовим аркасом з попередньо стиснутою високоміцною арматурою.

Розроблено конструкцію просторового арматурного каркасу та виконано кспериментальні випробування при центральному та позацентровому стиску 20 зазків колон в діапазоні гнучкостей Xh=4...15. Запропоновано інженерний метод озрахунку колон з попередньо стиснутою високоміцною арматурою на базі :нуючих норм. Розроблено методику визначення напружено-деформованого стан}' ілізобетонних стиснутих елементів з різними способами армування з дискретним редставленням конструкцій та використанням реатьних діаграм “сг-е” бетону і рматури. Виконано порівняння результатів експериментальних та теоретичних осліджень, що підтвердило високу точність запропонованих методів розрахунку.

Ключові слова: попередній обтиск, просторовий арматурний каркас, несуча датність, напружено-деформований стан, високоміцна арматура.

Cholod P.F. Strength of Reinforced Concrete Columns with Pre-compressed High trength Reinforcement. - Manuscript.

Master of Technical Science thesis. Line number: 05.23.01 - Building Structures, uildings and Constructions. - State University "Lviv Polytechnic", Lviv, 2000.

This thesis focuses on the experimental and theoretical study of the reinforced ancrete compressed members reinforced by spatial cage with pre-compressed high length reinforcement.

During the study design of spatial reinforcing cage has been developed anc experimental testing under central and eccentrical compression of 20 model specimen: with flexibility in range ofXh=4...15 has been done. The engineering method on the basi: of existing norms for analysis of columns with pre-compressed high strength reinforcement has been proposed. The way of determination of the stressed-deflectec mode of reinforced concrete compressed members w'ith different reinforcing us in г discrete modeling and real (J-S diagram of concrete and steel has been developed Comparison of experimental and theoretical results has been done, that proved enougl accuracy of proposed analysis method.

Key words: pre-compression, spatial reinforcing cage, bearing capacity, stressed-deflected mode, high strength reinforcement.

Холод Петр Федорович. Прочность железобетонных колонн с предварительно обжатой высокопрочной арматурой - рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук пс специальности 05.23.01,- Строительные конструкции, здания и сооружения -Государственный университет "Львовская политехника", Львов 2000 г.

Содержание диссертации

Предисловие. Обоснована актуальность, научная новизна и практическая ценность работы, дана ее общая характеристика.

В первой главе приведен обзор раннее выполненных работ, показавший, чтс использование традиционных решений при проектировании колонн многоэтажных каркасных зданий с нагрузкой более 5 МН является не эффективным из-за большого расхода металла в последнее время для повышения несущей способности колонн под большие нагрузки используют высокопрочную арматуру. Однако, широкого распространения этот способ армирования не получил из-за ограниченной предельной деформативности бетона. В связи с этим разработан новый способ армирования железобетонных колонн с пространственным арматурным каркасом с предварительно обжатой высокопрочной арматурой. Реактивное усилие от ее обжатия воспринимается арматурой из мягких сталей, которая объединена с высокопрочной торцевыми жесткими пластинами.

Во второй главе разработана программа и методика экспериментальных исследований работы сжатых елементов с предлагаемым способом армирвоания для определения действительного напряженно-деформированного состояния при центральном и внецентренном сжатии с эксцентриситетом (0,23...0,46) h0 и гибкостями Xh=4...15. В опытных образцах колонн использовалась высокопрочная арматура AT-V в комбинации со стержнями класса А-Н и уголками из стали ВСт 3 кп 2. В отдельных образцах высокопрочная арматура AT-V использовалась без сцепления с бетоном. Всего было испытано пять серий колонн в общем количестве 20-ти образцов.

В третьей главе проведен анализ результатов экспериментальных исследований, который показывает высокую эффективность предлагаемого способа армирования железобетонных сжатых элементов пространственными арматурными каркасами с предварительно обжатой высокопрочной арматурой. В результате

выполненного предварительного обжатия высокопрочно?! арматуры Ат-У в предельной стадии работы сжатых элементов достигнуто максимальное использование характеристик прочности высокопрочной стали. В предельной садии работы в большинстве экспериментальных образцов было достигнуто одновременное разрушение бетона, высокопрочной арматуры Ат-У и арматуры из мягких сталей.

В четвертой главе разработаны рекомендации по расчету центрально- и внецентренно сжатых элементов с предварительно напряженными каркасами с учетом упруго-пластической работы материалов. Сравнительный анализ результатов теоретических расчетов за предлагаемой методикой и экспериментальных исследований показал хорошее совпадение данных.

В пятой главе разработана математическая модель, которая базируется на дискретном представлении конструкции с использованием реальных диаграмм СУ -8 бетона и арматуры, позволяющая оценить напряженно-деформированное состояние элементов на протяжении всего процесса нагружения. Выполнен числовой эксперимент с применением разработанной математической модели. В числовом эксперименте рассматривалась величина эксцентриситета от 0 до 210 мм, меняя класс бетона от В20 до В40. Оптимальными оказались колонны с предварительно напряженной высокопрочной арматурой с небольшими эксцентриситетами, которые, как правило, применяются в многоэтажных каркасных зданиях.

В выводах отмечается преимущество предлагаемого нового способа армирвоания колонн с предварительно обжатой высокопрочной арматурой.

Ключевые слова: предварительное обжатие, пространственный арматурный каркас, несущая способность, напряженно-деформированное состояние, высокопрочная арматура.