автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность, жесткость и трещиностойкость изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой

На правах рукописи

> ТАЛАНТОВ Дмитрий Владимирович

ПРОЧНОСТЬ, ЖЕСТКОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСЕЧКОЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Шоршнев Геннадий Николаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Белов Вячеслав Вячеславович;

доктор технических наук, профессор Темнов Владимир Григорьевич

Ведущая организация - ОАО "Санкт-Петербургский зональный

научно-исследовательский и проектный институт жилищно-гражданских зданий" (ОАО "СПбЗНИиПИ")

Защита состоится 2005 г. в_ч._мин. на заседании

диссертационного совета Д 212.223.03 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д.4, ауд. 505-А.

Факс: (812) 316-58-72

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Санкг-Пе-тербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Автореферат разослан "_"_ 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, K.T.H., доцент

Дерябин И.С.

Шб-Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В сложившихся экономических условиях много внимания уделяется вопросам ресурсосбережения и в частности вопросам повторного эффективного использования побочных продуктов и отходов промышленности. В связи с резким ростом энергетических затрат эти вопросы в последнее время приобрели особую аюуальность. Строительные изделия на базе отходов металлоштамповки позволяют существенно снизить их себестоимость, не ухудшая эксплуатационных характеристик.

Широкое развитие сборного и монолитного железобетона требует все большего количества арматурной стали. Так, к примеру, расход стали на армирование сборного железобетона в бывшем СССР составил в 1954 году около 300 тыс. т., а в 1985 году - 9.5 млн. т. или более 40% всего металла, выделенного на нужды строительства. В целом, ежегодно на производство железобетона до 1986 года расходовалось около 13 млн. т. стали.

Однако, в 90-х годах стоимость энергоресурсов начала возрастать, что повлекло резкое удорожание стали (в 500+1000 раз). По подсчетам НИИЖБ, в России за последние двадцать лет для производства железобетона было израсходовано около 200 млн. т. стали, а энергетические затраты составили не менее 300 млн. т. условного топлива. Переход к рыночным отношениям по-новому поставил вопросы изготовления железобетонных конструкций. Наряду с выполнением требований нормативных документов, оптимизации я снижения себестоимости строительных изделий и конструкций, возникла необходимость поиска рынков сбыта продукции, выдерживания все более жесткой конкуренции товаров и т.д. Одним из направлений снижения себестоимости строительных изделий и конструкций является использование отходов металлоштамповки.

Развитие технологии металлоштамповки и особенно производства приводных цепей для различных машин и механизмов дало также и значительное увеличение объемов отходов в виде выштампованной стальной ленты - высечки, которая используется не эффективно и, в лучшем случае, вдет на переплавку. Между тем, в сложившихся экономических условиях представляется весьма актуальным детальное исследование вопросов применения отходов металлоштамповки в качестве армирующего материала железобетонных изделий и конструкций.

Цель работы. Экспериментально-теоретические исследования прочности нормальных сечений, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов, армированных выштампованной лентой; особенностей деформирования данных элементов на всех стадиях работы, а также особенностей совместной работы высечки и бетона; разработка методики расчета прочности, жесткости, трещиностойкости и рекомендаций по конструированию для указан-

Научную новизну составляют:

- разработанная на основе МКЭ расчетная модель изгибаемого элемента, учитывающая особенности совместного деформирования высечки и бетона, нелинейное деформирование материалов; адаптированная для использования в комплексе с широко распространенными программными продуктами МКЭ с минимальным набором библиотеки конечных элементов;

- результаты экспериментально-теоретических исследовании особенностей совместного деформирования высечки и бетона при растяжении;

- результаты экспериментально-теоретических исследований прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых балочных элементов с высечкой;

- разработанная методика расчета изгибаемых элементов с высечкой, учитывающая специфику использования выпггампованной ленты в качестве армирующего материала.

Практическое значение работы. Проведенный комплекс экспериментально-теоретических исследований позволяет рекомендовать вариант более эффективного применения отходов металлоштамповки, а именно - использование высечки в качестве армирующего материала изгибаемых железобетонных изделий и конструкций, для чего имеются все необходимые технико-экономические предпосылки.

Автор защищает:

- расчетную модель железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, учитывающую особенности совместного деформирования выпггампованной ленты и бетона, физическую и конструктивную нелинейность деформирования материала конструкции;

- результаты экспериментально-теоретических исследований особенностей совместного деформирования выпггампованной ленты и бетона, а также прочное* та, жесткости и трещиностойкости изгибаемых балочных элементов с высечкой;

- методику и алгоритм расчета прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых элементов, армированных выштампованноб лентой.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 56-й международной научно-технической конференции молодых учейых, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2004 г.; на 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2005 г.; на всероссийской ежегодной научно-технической конференции "НАУКА - ПРОИЗВОДСТВО -ТЕХНОЛОГИИ - ЭКОЛОГИЯ", Киров, ВятГУ, 2005 г. Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.

Внедрение результатов работы. Предлагаемый способ армирования был практически опробован в промышленных условиях ЗАО "Экспериментальный

завод" (г. Санкт-Петербург) при изшговлвнии-жеяезе#етонных плит типа БПР.

»

• • 4 44 ¿4*

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, итогов работы, списка использованных источников из 112 наименований и содержит 140 страниц основного текста, 14 таблиц, 61 рисунок, 1 приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, ее цель, научное и практическое значения, дается краткое описание структуры работы.

В первой главе содержатся сведения о строительных изделиях и конструкциях С применением отходов металлопггамповки, сведения по расчету и конструированию железобетонных элементов с полосовой арматурой, дан краткий обзор исследований в области совместного деформирования бетона и арматуры, приводятся наиболее распространенные типы выштампованной ленты и технико-экономическая оценка применимости отходов металлопггамповки в качестве арматуры железобетонных изделий и конструкций.

За последнее время изделия из высечки стали находить все большее применение в строительстве. Первые сведения о применении данного типа отходов производства в строительных конструкциях содержатся в источниках 40-50 х годов прошлого века. Получаемая в те годы высечка представляла собой стальные полосы с отверстиями, преимущественно круглой формы; имела ряд существенных недостатков: низкие механические характеристики материала (сталь с <гт=250 МПа), нерегулярную структуру отверстий и мостиков, ограниченную длину стальных полос (2+2.5 м); ориентировалась на использование взамен катанки. Все это и, вдобавок, сравнительно низкие цены на металл, не способствовало широкому применению высечки в строительных конструкциях и изделиях.

Развитие технологии металлопггамповки и особенно производства приводных цепей для различных машин и механизмов позволило преодолеть многие недостатки. Так для производства приводных цепей используется средне- и вы-сокоушеродистые стали следующих марок: Сг08пс, сталь 50, сталь 70 с высокими механическими характеристиками (ат=600 МПа и выше). Форма и расположение отверстий в стальной полосе постоянная и достаточно регулярная (рис. 1), а длина высечки в рулоне ограничена только условиями удобства транспортировки.

Расширение ассортимента изделий с использованием отходов металлопггамповки идет по трем направлениям:

1. Профилирование выштампованной ленты, изготовление различных комбинаций из профилей, а также устройство металлической сетки.

2. Изготовление железобетонных изделий и конструкций на основе стальной перфорированной ленты. В 1991-93 годах на строительных объектах Латвии было начато опытное изготовление и внедрение в производство железобетонных

изделий на базе высечки. Вот некоторые из них: ограждающие цементные панели, кровельно-цементные панели, железобетонные столбы, армированные перфорированной лентой, плиты покрытия, железобетонные кольца диаметром 1.0-5-2.0 м и крышки колодцев, плиты каналов и т.д.

Фее

Рисунок 1. Распространенные -талы высечки

3. Металлические изделия из высечки покрытые резиной. СПбЗНИиПИ (С.-Петербург) совместно с РТУ (Рига) в 1996 году была разработана арморези-новая облегченная опалубка (ОАО). Опалубка состоит из легких линейных металлических элементов и плоских щитов (модулей). Щиты представляют собой резиновые пластины, армированные профилированной выштампованной стальной лентой.

Для высечки как армирующего материала актуальны задачи по исследованию ее сцепления с бетоном, а также оценке ее влияния на окружающий бетон. Однако, особенности работы полосовой арматуры исследованы в значительно меньшей степени, чем обычной стержневой арматуры. Большой вклад в развитие теории сцепления арматуры с бетоном внесли ученые A.A. Гвоздев, В.И. Мура-шев, С. А. Дмитриев, В.Н. Байков, М.М. Холмянский, A.A. Oaiyn, Б.С. Гольдфайн, Н.И. Карпенко, Г.Н. Судаков, В.М. Кольнер, Н.М. Мулин, В.М. Цехмястров, Т.И. Астрова и др.

С развитием вычислительной техники и численных методов появилась возможность численного моделирования процесса взаимодействия арматуры и бетона. Здесь, в первую очередь, необходимо отметить работы Н.И. Карпенко, Г.Н. Судакова, Е.С. Лейтес.

Важной задачей при рассмотрении вопроса эффективного использования отходов металлоштамповки является технико-экономическая оценка применимости высечки в качестве арматуры железобетонных изделий и конструкций. Основными поставщиками стальной перфорированной ленты являются заводы приводных цепей. Из большой номенклатуры стальной перфорированной ленты наиболее оптимальной является высечка с толщиной ленты 1,4 мм и выше.

Стоимость тонны стальной перфорированной ленты в 1997 году колебалась в пределах от 200 ООО до 400 000 неденоминированных рублей; отношение

б

стоимости тонны высечки к стоимости тонны металла составляло 1:10. В 2003 году стоимость высечки составила 1100*1300 рублей за тонну, в то время как стоимость тонны металла - 10000ч-15000 рублей за тонну. Таким образом, сохраняется устойчивое соотношение стоимости высечки к стоимости металла как 1:10.

Оценку технико-экономической эффективности применения высечки в качестве арматуры железобетонных изделий и конструкций возможно произвести на базе так называемого коэффициента эффективности К^ который для данного случая может быть найден из выражения:

где: т^ - вес погонного метра армирующего материала;

с - удельная стоимость единицы веса армирующего материала;

ЯА1 - расчетные геометрические и прочностные характеристики армирующего материала (при расчете по прочности).

Чем меньше значение коэффициента К^ тем больший экономический эффект может быть достигнут при применении данного типа армирующего материала.

В таблице 1 приведено сопоставление указанного коэффициента для проволоки Вр1 и для двух типов выштампованных лент гантелевидной перфорации (лента 72x1.9 мм и 78x1.75 мм), при этом стоимость материалов выражена не конкретными значениями, а соотношением свиш/ с/ 5с- 115.

Таблица 1

Сопоставление величины А^ для проволоки Вр1 и высечки

армирующий материал (КГ) Смаж (руб/кг) я, (кгс/см2) (см2) (руб/кгс)

проволока Вр104 мм 0.098 5с 4200 0.126 9.26-юЛ:

проволока Вр105 мм 0.154 5е 4200 0.196 9.35-КГ'с

лента 72x1.9 мм 0.45 с 4800 0.23 4.08-10Л;

лента 78x1.75 мм 0.44 с 4800 0.24 3.82-НИс

Коэффициент К^ представляет собой не что иное, как удельную стоимость восприятия армирующим материалом единицы растягивающего усилия при работе в железобетонной конструкции.

Анализ значений К^ из таблицы 1 свидетельствует о наличии экономических предпосылок для использования выштампованной ленгы в качестве армирующего материала железобетонных изделий и конструкций.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований особенностей деформирования выштампованной ленты при растяжении как в свободном состоянии, так и в бетонной обойме; а также результаты сравнительных испытаний на изгиб железобетонных плит типа БПР и балок по серии 1.038.1-1, армированных высечкой.

Изучение физико-механических свойств выштампованной ленты произво-

Зярий

"та

лилось на образцах 2-х типов лент гантелевидной перфорации (72x1.9 мм и 78x1.75 мм, материал - сталь 50), которые в дальнейшем были использованы в качестве арматуры опытных изгибаемых элементов. Каждый тип ленты испытывал ся на растяжение 3-мя сериями по 3 образца в каждой серии (рис. 2).

Разрушение образцов происходило по наименьшему поперечному сечению и носило хрупкий характер, что свойственно сталям без площадки текучести. Разрушение образцов 3-й серии начиналось с крайних полос; далее нагрузка резко падала, при попытке подъема нагрузки происходил разрыв соседних диафрагм и, в конечном итоге, высечка рвалась. Предельные деформации крайних полос меньше предельных деформаций средних диафрагм высечки. В случае растяжения всей полосы наибольшие напряжения возникают в крайних полосах, с которых и начинается разрушение ленты, вместе с тем несущая способность средних диафрагм при данном уровне деформаций несколько недоиспользована.

Взаимосвязь между нормативным сопротивлением растяжению материала ленты и сопротивлением растяжению самой ленты может быть выражена следующим соотношением:

*-ГТТ—' (2)

к К )( гам )( )(у\

Рисунок 2. Серии образцов на растяжение

где Я™ - нормативное сопротивление растяжению материала ленты; Ая - суммарная площадь расчетного (наименьшего) сечения крайних полос;

Лцг - суммарная площадь расчетного (наименьшего) сечения средних полос;

кф - коэффициент формы, учитывающий повышенную деформативность

средних полос ленты. Коэффициент формы определяется соотношением:

кф =°>2 /<>>! .

(3)

гае ай и о5/ - соответственно растягивающие напряжения в расчетном сечении средних и крайних полос ленты.

Необходимо отметить, что коэффициент кф зависит прежде всего от геометрической формы просечек; зависимость же коэффициента от уровня деформаций, как показал опыт, имеет практически линейный характер. Определение величины кф возможно на основании опытных данных, либо моделированием по МКЭ.

Для изучения особенностей НДС при растяжении в крайних и средних диафрагмах высечки, а также сопоставления и оценки полученных экспериментальных результатов, был проведен численный эксперимент на основе МКЭ. Моделировалась работа высечки рассмотренных типов. КЭ модель ленты была построена на основе плоских 4-х угольных КЭ, состояла из 11 шагов просечек, в точности описывающих геометрические особенности лент. На узлы 1-го шага просечек были наложены связи по всем направлениям, в узлах 11-го шага введено объединение перемещений по направлению действия растягивающего усилия.

На рисунке 3 показан фрагмент схемы с изополями напряжений <ух . Как и следовало ожидать, концентрация растягивающих напряжений возникает в области минимального поперечного сечения диафрагмы.

<*«

МПа

1937.8

939.6 841.4

743.3

645.1 546.9

448.7 350.6

252.4

154.2 56.1 -42.0

-1402 -238.3 -336.5

Рисунок 3 НДС средних и крайних полос высечки при растяжении (Р=10 кН)

Таблица 2

Сравнение значений коэфф. формы кф в табЛице 2 приводятся зна-

чения коэффициента кфщт упругой работе материала ленты.

Изучение особенностей совместного деформирования выштампованной ленты и бетона производилось на 4-х сериях призматических железобетонных образцов (по 3 образца в каждой серии), армированных двумя типами лент (лента 1.75x78 мм и 1.9x72 мм). Характеристики образцов даны в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики экспериментальных образцов

лента 1.75x78 мм лента 1.9x72 мм

опыт МКЭ опыт МКЭ

0.62 0.62 0.54 0.53

Серия Тип ленты И % Геометрические характеристики

Поперечное сечение Длина

1 78x1.75 мм 2.26 5 1,-12 , т т I "р I 1 I 8

2 72x1.9 мм 1.94

3 78x1.75 мм 0.41 -52 ,

1 я

4 72x1.9 мм 0.35

и

Рисунок 4. Фрагмент образца между смежными трещинами

Испытания показали, что для образцов 1-ой и 2-ой серий характерно образование поперечных трещин, равномерно распределенных по всей длине, на самых ранних этапах нагружения с начальной шириной раскрытия трещин около 0.01 мм; шаг трещин кратен шагу просечек (см. рис. 4).

Данный факт объясняется определяющей ролью фактора зацепления в обеспечении совместной работы высечки с бетоном; растягивающие усилия передаются на беггон в местах зацепления бетонных "шпонок" за выштампованные отверстия в высечке.

Для образцов 3-ей и 4-ой серий процесс трещинообразования начинался по прошествии значительного числа этапов нагружения и носил менее равномерный характер. Шаг трещин был кратен шагу просечек (составил 3-4 шага просечек).

4.---"Л.-— ] ^ а 4 1 2 Ч ^-»•И -5-50 к /-4« 50

/ Р------- I 11

*> V" 1 ^-Н ! Л ; Ы -1-90 ТГ \ з

4-г /рК

КГ V 1 "И'Т : ! Г ^ п

гг Л ! Т* /

•ч—*- * у 4 Л а Ж 501 21- Я г1 ^ !17 50, 217 1 Ш|г 501. «ГЬвШ.

«'0

±1 ©

Рисунок 5. Армирование опытной плиты ЕПР-130В высечкой

Предварительные испытания изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой, проводились на железобетонных плитах типа БПР-130 двух видов - с рабочей арматурой из перфорированной ленты (4 ленты 3x50 мм, материал - стЗ) и из стандартной сетки (проволока 05 Вр-1). Данный вид плит широко используется при реконструкции и в настоящее время достаточно вос-

11

требован на рынке сборных железобетонных изделий. В задачи исследований входила оценка прочности, жесткости и трещиностойкости опытных плит, армированных высечкой в сравнении со стандартно армированными плитами, а также оценка принципиальной применимости выштампованной стальной ленты (высечки) в качестве арматуры железобетонных изделий и конструкций.

Методика испытаний была принята в соответствии с ГОСТ 8829-94. Нагру-жение опытных образцов осуществлялось штучными грузами, равномерно распределенными по всей площади плит. На этапах нагружения производился тщательный осмотр образцов на предмет появления и раскрытия трещин, фиксировались показания приборов. На рисунке 5 показана схема армирования плиты БПР-130В высечкой, на рисунке 6 - зависимость прогиба от изгибающего момента.

По критериям прочности, жесткости и трещиностойкости оба типа плит признаны годными. Характер работы плиты с высечкой по параметрам жесткости и трещиностойкости отличается в лучшую сторону по сравнению со стандартно армирован° ; ; ; 4 ; ; т но* плитой, так,

для образцов с вы-

Рисунок б График «М-б> для опытных плит сечкой процесс тре-

щино-образования

носил более равномерный характер, трещины располагались чаще и имели меньшую ширину раскрытия, а значение прогиба при одинаковых уровнях нагрузки отличалось в меньшую сторону в сравнении со стандартно армированными образцами. Предварительные испытания показали принципиальную применимость высечки в качестве арматуры железобетонных изделий.

Дальнейшие испытания железобетонных элементов с высечкой проводились на балочных образцах. По схеме 4-х точечного изгиба были испытаны шесть серий железобетонных балок (по 3 образца в каждой серии) с размерами поперечного сечения 120x140 мм, из которых 4 серии армировались высечкой 78x1.75 мм и 72x1.9 мм, 2 серии - обычной проволочной арматурой. Характеристики опытных образцов даны в таблице 4. Размеры поперечного сечения балок приняты стандар-

тными для перемычек брускового типа для жилых зданий, что было оправдано в плане возможности размещения в растянутой зоне элемента выштампованной ленты определенной ширины, а также возможностью сравнительного анализа с широко распространенными в современном строительстве железобетонными брусковыми перемычками заводского изготовления с обычной арматурой.

Таблица 4

Характеристики опытных образцов

Серия

образцов ЬхЫ.см

Тип арматуры

А.,

см*

м,

Эскиз

12x14x130

высечка 8=1.9 мм (тавр)

0.209

0.151

С

е£

высечка 50Т-С-Н-1 1.9x72

1290

И20

1 о

т

12x14x130

высечка 8=1.75 мм (тавр)

0.244

0.177

±

высечка 50Т-С-Н-1 1.75x78

1290

„120 «— с

1 о •вТ" -1!

т

12x14x130

высечка 8=1.75 мм

0.244

0.177

04ВО-1 высечка 50Т-С-Н-1 1.75x78 ,.120 2 '

100'

у ... . //>/'/7 -^

-1290.-

12x14x130

высечка 8=1.9 ММ

04 Вв>| высечка 50Т-С-Н-1 1.9x72

0.209

0151

ша

1290

12x14x190

ВрЛ

205 мм

0 392

0.272

2ПБ19-ЗП (по серии 1.038.1-1) 04 Во-1 ШЗе^ ¿Щ

шаг"

-Л

1910

УЖ

■

-¡Кй

2ПБ16-2П (по серии 1.038.1-1)

12x14x160

Вр-1 05 мм

0.196

0.136

04 ВЫ

( ( / / // г ( {

1ш1 1 ■ У г

-Л—

1520

Балки 1-4 серий были изготовлены из мелкозернистого бетона на речном песке с модулем крупности Мкр=2.5 мм. Выбор вида бетона был обусловлен необходимостью качественного пробетонирования всего объема элемента, особенно в зоне расположения выштампованной ленты. Состав бетона проектировался из расчета получения класса прочности на сжатие В20. Балки серий 5 и 6 — из тяжелого бетона заводского изготовления ЗАО ПО "Баррикада" Завод ЖБИ-4 (г. Санкт-Нетер&ург).

Деформации балок всех серий на первых этапах загружения, включая контрольные этапы по прочности, жесткости и трещиностойкости, носили практически упругий характер (см. рис. 7). Образование трещин характеризуется на графике "М-/" значительным переломом кривой и далее ее постепенным искривлением по мере роста нагрузки. В целом, характер деформирования образцов с высечкой не отличается от характера деформирования образцов с обычной арматурой.

Процесс появления нормальных трещин для испытанных образцов всех серий начинался при нагрузке Рт= бн-8 кН 12-102 Н-м) и характеризовал-

ся значительным развитием первых трещин по высоте испытываемых образцов. Так, глубина развития первых трещин для образцов с высечкой практически всегда была около половины высоты сечения балки, а ширина раскрытия трещин составила около 0.05 мм. Шаг трещин для балок, армированных высечкой, составил, в среднем, З-г-4 шага просечек (90*125 мм) при расчетном уровне нагрузок и только на последних ступенях (стадия предразрушения) в отдельных местах данный шаг уменьшался вследствие образования волосяной трещины со значитель-

на

НИ

ной глубиной развития (около 2/3 высоты сечения).

Для балок с вы-

о- -

Рисунок 7. График «М-В> для балочных образцов

о

2

6

Серия 5 —»— Сарщб

8

10

сечкой необходимо также отметить формирование на последнем этапе перед разрушением горизонтальных трещин на уровне продольной арматуры (высечки), свидетельствующих о начале нарушения сцепления выштампованной ленты с бе-

тоном вследствие среза бетонных шпонок.

Для балок с обычной арматурой процесс трещинообразования характеризовался формированием в зоне чистого изгиба 3-4-х нормальных трещин в течение одного-двух этапов и в дальнейшем, вплоть до разрушения, их дальнейшим развитием без образования новых трещин.

Следует отметить, что средний шаг трещин для образцов с высечкой существенно отличается в меньшую сторону в сравнении со стандартно армированными образцами. Деформирование выштампованной ленты и окружающего бетона в зоне чистого изгиба происходит более равномерно, совместная работа лешы и бетона обеспечена на всей длине 1т. Наклонные трещины при испытании балок всех серий не зафиксированы в виду достаточных для данного уровня усилий размеров бетонного сечения балок.

Разрушение образцов 1-И-й серий происходило по нормальному сечению вследствие разрыва диафрагм высечки и носило внезапный, хрупкий характер. Разрушающий момент намного превысил контрольные значения по прочности, жесткости и трещиностойкости. Разрушение балок 5 и 6 серий также произошло по нормальному сечению вследствие достижения продольной арматурой предела текучести с резким, практически неконтролируемым нарастанием прогибов и ширины раскрытия трещин.

Проведенные экспериментальные исследования подтвердили практическую применимость выштампованной стальной ленты для использования б качестве арматуры изгибаемых железобетонных изделий и конструкций. По параметрам прочности, жесткости и трещиностойкости указанные элементы не только не уступают стандартно армированным (при сопоставимых процентах армирования), но и по некоторым позициям имеют более благоприятный характер работы. Процесс трещинообразования изгибаемых элементов с высечкой характеризуется более частым и равномерным расположение трещин, меньшей шириной раскрытия и более плавным ее нарастанием по мере роста нагрузки в сравнении со стандартно армированными железобетонными элементами при сопоставимых процентах армирования.

В третьей главе представлены теоретические исследования прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых элементов с высечкой.

Исследование НДС изгибаемых железобетонных элементов с высечкой производилось по МКЭ. При построении расчетной модели элементов учитывались следующие особенности: а) физическая нелинейность деформирования бетона; б) физическая нелинейность деформирования армирующего материала - высечки с учетом особенностей совместного взаимодействия с бетоном шпонок; в) особенности процесса трещинообразования или конструктивная нелинейность; г) особенности сцепления высечки с бетоном.

Основные принципы модели расчета изгибаемого железобетонного элемента

с высечкой представлены следующими положениями:

1. Рассчитываемый элемент рассматривается как совокупность блоков; формирование блоков связано с картиной трещинообразования.

2. Блок представляет собой совокупность конечных элементов: прямоугольные конечные элементы для бетона и стержневые конечные элементы для армирующего материала — высечки. Взаимодействие бетонных блоков между собой осуществляется с помощью односторонних связей, работающих на сжатие, а также моделирующих трение между блоками.

3. Работа бетона и арматуры (высечки) рассматривается исходя из нелинейных диаграмм деформирования %-е " с ограничением по величине предельных деформаций.

4. Предельное состояние наступает в элементе либо из-за достижения в сжатом бетоне предельных Деформаций сжатия, либо при достижении в арматуре (высечке) предельных деформаций растяжения.

Были просчитаны КЭ модели балок двух типов: с высечкой 78x1.75 мм и с высечкой 72x1.9 мм. Модели в зоне чистого изгиба разбиты на бетонные блоки в соответствии с опытным шагом трещин (3 шага просечек лент). Вьшггампованная лента моделировалась физически нелинейным стержневым КЭ, для которого назначалась кусочно-линейная зависимость 'b-е " учитывающая особенности совместного деформирования с бетоном шпонок. Бетон моделировался физически нелинейными плоскими прямоугольными КЭ, для которых задавался закон деформирования в экспоненциальной форме для мелкозернистого бетона класса В20.

Рисунок 8. Блочная КЭ модель изгибаемого балочного элемента с высечкой: а) общий вид блочной модели; б) деталь А блочной модели с односторонними связями; в) деталь А для модели с "зашитыми" -трещинами

Связь стержневого КЭ (высечки) с плоскими КЭ (бетоном) осуществлялась с помощью жестких вставок, расположенных с шагом, кратным шагу просечек. На границе бетонных блоков (в сечении с трещиной) связи в виде жестких вставок заменялись на односторонние связи - для моделирования поверхностного контакта высечки и бетона в сечении с трещиной.

Расчет моделей производился в ПВК "Лира" в несколько этапов: сначала рассчитывалась сплошная модель (см. рис. 8 в) до изгибающего момента М-М^, затем осуществлялся переход к блочной модели. Шаг нелинейных загружений принимался в соответствии с шагом нагружения из опыта и являлся достаточным для моделирования физически нелинейной работы материала конструкции.

В ходе численного эксперимента решались следующие задачи:

- изучение особенностей напряженно-деформированного состояния изгибаемого железобетонного элемента с высечкой на всех стадиях работы с учетом физической и конструктивной нелинейностей работы материала;

- сопоставление параметров напряженно-деформированного состояния с опытными значениями;

- проверка теоретических предпосылок и допущений, использованных в алгоритме расчета изгибаемых железобетонных элементов с высечкой.

Сравнение опытной и расчетной по МКЭ кривых 'Я/-/" показало, что до точки, соответствующей моменту трещинообразования, кривые практически совпадают; далее для расчетной кривой характерен достаточно резкий прирост значения прогиба - переход от модели с "зашитыми" трещинами к блочной модели с трещинами на протяжении всей зоны чистого изгиба, в то время как опытная кривая более плавно изменяет свой наклон - трещины в зоне чистого изгиба в реальном образце образуются не сразу по всей длине, а постепенно, в течении нескольких этапов нагружения конструкции. Далее кривые сближаются и удовлетворительно согласуются друг с другом.

Методика на базе блочной модели изгибаемого железобетонного элемента и МКЭ позволяет достаточно адекватно смоделировать работу конструкции до и после образования трещин, а ориентация ее на широко распространенные комплексы МКЭ с минимальным составом библиотеки КЭ значительно расширяет область ее практического применения.

Расчет изгибаемых железобетонных элементов с высечкой возможно производить на базе известных зависимостей теории деформирования железобетона с учетом следующих особенностей.

За расчетную площадь сечения ленты А,^ принимается минимально возможная суммарная площадь диафрагм высечки по всей ширине выштампован-ной ленты. Нормативное сопротивление ленты растяжению находится по формуле (2) с учетом повышенной деформахивносги средних диафрагм высечки. Расчетное сопротивление ленты К11а определяется выражением:

где у - коэффициент надежности по арматуре, который для выштампованной стальной ленты предлагается принимать равным у1 =1.25 для I группы п.с. и, соответственно, у1 =1 для II группы п.с. Повышенное значение данного коэффициента объясняете некоторой нестабильностью геометрических и прочностных характеристик высечки, специфическим характером разрушения, а также малым опытом применения ее в качестве армирующего материала.

Проведенные испытания на растяжение высечки (материал - ст50, ст70 нагартованная) показали, что для ленты из указанного материала нормативное сопротивление составит ,„= 600 МПа. Тогда с учетом выражения (4) расчетное сопротивление (по I группе п.с.) дня изученных типов лент может бьггь принято Я,„= 480 МПа.

Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с высечкой, сосредоточенной у растянутой грани, необходимо производить на основе уравнений равновесия внешних и внутренних сил:

А«Л«.-я*А =0

При этом принимаем прямоугольную эпюру напряжений сжатой зоны бетона.

Расчет изгибаемых железобетонных элементов с высечкой по II группе п.с. возможно производить на основе теории В.И. Мурашева с учетом особенностей определения коэффициента модуля упругости всей ленты Е^ шага трещин 1т.

Расстояние между трещинами найдем из условия, что разность усилий в высечке в сечении с трещиной и в сечении между трещинами уравновешивается на длине силами зацепления бетонных шпонок за выштампованные отверстия в высечке:

- 2яМ,,„ = » (6)

где а от - напряжение в эквивалентном стержне в сечении с трещиной,сразу после ее появления; ю' - коэффициент полноты эпюры сцепления;

- площадь бетонных шпонок на единицу длины; ЯЬ1</ - сопротивление срезу бетона шпонок; ЯЬ[ - прочность бетона при растяжении; а - коэффициент приведения.

Решая уравнение (6) относительно получим:

18

где Аы-

площадь растянутого бетонного сечения;

Практически, с учетом упруго пластической работы бетона растянутой зоны, можно принять ©'=2/3. Величина сопротивления бетона срезу, как известно, принимается ориентировочно ЯыаЖЬ1 для обычного бетона; для мелкозернистого бетона, в силу особенностей его структуры, предлагается принимать ориентировочно 85ИЫ . Тогда, с учетом вышесказанного, для железобетонного элемента с высечкой и мелкозернистым бетоном выражение (7) упрощается следующим образом:

По формуле (8) были определены теоретические значения /„.для испытанных на растяжение призматических железобетонных образцов, армированных высечкой; получено удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных значений.

Определение коэффициента необходимо производить с учетом особенностей совместной работы бетона и высечки на участках между трещинами, обеспечиваемой в основном механическим зацеплением; растягивающее усилие в сечении с трещиной, а также на расстоянии одного шага просечек от нее воспринимается практически только высечкой. Эпюры о^, а,, имеют выраженный ступенчатый характер с резкими скачками значений напряжений в местах зацепления бетонных шпонок за выштампованные отверстия в ленте. На рисунке 9 показан характер эпюр аы, о5, т^ при шаге трещин, равном 3-м шагам просечек. При числе шагов просечек на участке между трещинами я4-ко эпюры оы, тот принимают "классический" вид.

Анализ ассортимента приводных цепей для различных машин и механизмов,

► . ■ i ■ р-

цН ишЬ1 ишН щцЬ

Рисунок 9. Характер расчетных эпюр аЬь ая тт при /щг 3 шага просечек

выпускаемых промышленностью, по геометрическим параметрам составляющих их звеньев показал, что на практике при армировании железобетонных изделий выштампованной лентой - отходом данного производства - величина I вряд ли будет больше 6*7 шагов просечек (пк < 6*7), а в качестве наиболее вероятного случая следует рассматривать п= 3*4.

Коэффициент Мурашева ц^ определяется выражением:

(9)

1де ш4( - коэффициент полноты эпюры напряжений растянутого бетона между трещинами.

Для прямоугольного сечения можно принять АыаАья0.5А, тогда:

- (10)

4га501+1'

где А - площадь бетонного сечения.

Характер эпюры аы для элементов, армированных высечкой, необходимо

Таблица 5 учитывать при

определении коэффициента а>4(. В таблице 5 приводятся значения <аы

Значения аь, в зависимости от л*

пк 3 4 5 6 7 8 9 10

а>ы 0.33 0.5 0.47 0.56 0.49 0.55 0.50 0.55

Влияние бетона растянутой зоны на работу железобетонного элемента с высечкой проявляется также и в восприятии бетоном шпонок поперечных деформаций средних диафрагм высечки, что сказывается на деформагивносги ленты как армирующего материала. Модуль упругости всей ленты Е с учетом влияния бетонной обоймы определяется выражением:

Е - Еп "¡.эа

(11)

где Е.. - модуль упругости крайних полос ленты;

расчетная площадь сечения ленты, А, =А.+А ■

ЗрЭКШ ЛрЖМ Ц

кф - коэффициент формы с учетом влияния бетонной обоймы;

В начале стадии II значение коэффициента кс учетом работы бетона шпонок, а также ненарушенного склеивания цементного геля и материала высечки, практически равняется единице, однако с ростом деформаций уменьшается до значений, характерных при деформировании свободной ленты. Поэтому при расчете изгибаемых элементов с высечкой по деформациям величину коэффициента к^ предлагается назначать в зависимости от величины расчетного изгибающего момента:

приМ=Мт */=1;

- при М^М^ (здесь под М^ понимается максимальный момент, воспринимаемый нормальным сечением изгибаемого железобетонного элемента с высечкой, определяемый из (5); кф - коэффициент формы для данного типа ленты при свободном деформировании без учета влияния бетонной оболочки);

- при Мт < М < М^ значение коэффициента к^ с достаточной для практических расчетов точностью предлагается определять по линейной интерполяции между граничными случаями М^М^. и Л^А/^..

Ширина раскрытия трещин асп, жесткость элемента В и прогиб / определяется по известным формулам с учетом обозначенных выше особенностей

Обозначения в формулах 12-14 общепринятые.

Следует отметить, что применительно к случаю армирования железобетонного элемента высечкой вероятнее всего возникнет необходимость в привязке к конкретному типу высечки с определенными геометрическими и прочностными показателями, поэтому задача проверки прочности, деформативности и трещи-ностойкости элемента при заданных площадях арматуры (высечки) и размерах бетонного сечения наиболее актуальна.

С учетом вышеобознаяенных особенностей был произведен расчет параметров прочности, жесткости и трещиностойкости опытных образцов с учетом реальных деформативно-прочностных характеристик бетона и выштампованной ленты, получено удовлетворительное согласование экспериментальных и теоретических значений (см. таблицу 6).

В заключение главы сделана попытка моделирования особенностей НДС бетона шпонок при работе на срез по МКЭ в объемной постановке в зависимости от геометрической формы просечек, а также в зависимости от отношения толщины ленты к шагу просечек 6/э. В качестве рассматриваемых типов геометрии просечек приняты: гантелевидная, овальная и круглая. Выбор указанных типов просечек обусловлен их широкой распространенностью в перфорированных стальных лентах - отходах производства приводных цепей. На рисунке 10 показана КЭ модель с бетонной шпонкой первого типа.

подсчета у,, £ ^

(12)

(14)

(13)

Таблица б

Сопоставление экспериментально-теоретических параметров прочности,

жесткости и трещииостойкости отгибаемых элементов с высечкой

s М. Н-м Н-м М=Мпах £ см

£ о О Лента <С мм а* мм см f* см

1 1.9 мм (тавр) 2920 2П5 0.3 0.270 0.416 0447

2 1 75 мм (тавр) 3845 2493 0.22 0.241 0.410 0.430 0.6

3 1.75 мм 2410 1956 0.25 0.268 0.494 0.470

4 1.9 мм 1960 1638 0.24 0.224 0.368 0.369

Рисунок 10, КЗ модель бетонной шпонки

На основании моделирования можно сделапгь вывод, что при одинаковых площадях бетонных шпонок предпочтительнее крутая форма, тогда как значительных различий между гантелевидной и овальной формами не отмечено. Сжимающие напряжения для шпонки крутой формы ниже вследствие большей площади контакта (зацепления) с лентой, а распределение касательных напряжений по длине шпонки носит более равномерный характер. Влияние на

КЭ бетонного массива

НДС бетона шпонки отношения S/s незначительно.

Моделирование НДС бетона в зоне анкеровки производилось на модели, состоящей из 5-ти шагов просечек и включающей в себя 11446 объемных 8-ми узловых КЭ, из которых 10832 элемента с физической нелинейностью (рисунок 11).

На начальных этапах загружения проявляется концентрация напряжений на первой шпонке, тогда как остальные шпонки практически не работают. По мере роста выдергивающего усилия и

развития неупругих де-Рисунок П. КЭ модель анкеровки ленты » бетоне ф()ршций „ беп)не первой

шпонки (особенно в области контакта ленты со шпонкой) происходит постепенное перераспределение усилий и более полное включение в работу следующих шпонок.

На последнем этапе нагружения необходимо отметить возможность формирования трещины, ориентированной нормально растягивающему усилию, отделяющей бетонный массив с первой шпонкой от остальной его части. Данное обстоятельство хорошо (лллаиусгся с экспериментальными данным!», а кмснкс, с формированием на последнем этапе у изгибаемых балочных образцов с высечкой как горизонтальных трещин (свидетельствующих о срезе бетона шпонок), так и волосяных вертикальных трещин на расстоянии шага просечек от границы бетонного блока.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ РАБОТЫ

1. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования подтвердили практическую применимость выштампованной стальной ленты в качестве арматуры изгибаемых железобетонных изделий и конструкций.

2. Показана технико-экономическая эффективность применения высечки в качестве армирующего материала, что позволит сэкономить значительную часть металла при сохранении эксплуатационных характеристик конструкции.

3. Предложена расчетная модель изгибаемого элемента с высечкой на основе МКЭ, учитывающая особенности совместного деформирования выштампованной ленты и окружающего бетона, а также учитывающая нелинейную работу бетона сжатой зоны и растянутой арматуры, позволяющая адекватно оценивать прочность и жесткость конструкции на всех этапах работы.

4. Предложены зависимости для определения основных характеристик напряженно-деформированного состояния элемента с высечкой, учитывающие специфические прочностные и деформативные особенности выштампованной ленты.

5. Разработан практический алгоритм расчета железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, обладающий достаточной простотой и, в то же время, позволяющий в полной мере учесть специфику данного армирующего материала при работе его в составе железобетонной конструкции.

6. Экспериментом показано, что доминирующим фактором в обеспечении совместной работы высечки и бетона является механическое зацепление бетонных шпонок за выштампованные отверстия в ленте; шаг трещин кратен шагу просечек. Отмечается более равномерный характер распределения трещин в зоне изгиба, меньшая ширина их раскрытия, несколько большая жесткость элементов с высечкой в сравнении со стандартно армированными элементами при сопоста-

вимых процентах армирования.

7. Сформулированы практические рекомендации по конструированию железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, акцентирующие внимание на специфических аспектах применения высечки в качестве армирующего материала.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Талантов Д.В. К вопросу применения выштампованной стальной ленты (высечки) в качестве арматуры железобетонных изделий // Актуальные проблемы современного строительства. Сборник докладов. Часть I,- Санкт-Петербург, 2004. - с. 24-26.

2. Талантов Д.В. Железобетонные изделия с применением отходов метал-лоштамповки // "НАУКА - ПРОИЗВОДСТВО - ТЕХНОЛОГИИ - ЭКОЛОГИЯ" Всероссийская научно-техническая конференция, сборник материалов, т.З.-ВятГУ, Киров, 2005. - с.155-157.

3. Шоршнев Г.Н., Талантов Д.В. Экспериментальные исследования железобетонных элементов, армированных выштампованной стальной лентой, при растяжении и изгибе // Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. Межвузовский тематический сборник трудов. - СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2005.- с.61-71.

4. Шоршнев Г.Н., Легалов И.Н., Повышен H.H., Талантов Д.В. Каменные и железобетонные конструкции с применением отходов металлоштамповки // Там же,- с.76-88.

5. Талантов Д.В. Особенности расчета изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой // Там же. - с. 113-120.

6. Талантов Д.В. Моделирование совместной работы высечки и бетона при растяжении методом конечных элементов // Доклады 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, Ч.1.- СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2005,- с.45-47.

7. Шоршнев Г.Н., Талантов Д.В. Исследование прочности, жесткости и тре-щиносгойкости изгибаемых элементов, армированных ленточной высечкой // Вестник гражданских инженеров. - 2005. - №2 (в печати).

Подписано к печати 26.07 2005.Формаг 60x84 1/16 Бумага офсетная Усл. печ. л. 1,5. Тир. 100 экз. Заказ 1А0.

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, 4.

Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская. 5.

«

«

It

IM 51 10

РНБ Русский фонд

2006-4 12821

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Строительные изделия и конструкции с применением отходов металлоштамповки.

1.2 Сведения по расчету и конструированию железобетонных элементов с полосовой арматурой.

1.3 Краткий обзор исследований совместного деформирования арматуры и бетона.

1.4 Технико-экономическая оценка применимости отходов металлоштамповки в качестве арматуры железобетонных изделий и конструкций.

1.5 Выводы и задачи исследования.

ГЛАВА II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСЕЧКОЙ.

2.1 Исследования деформативности объемных арматурных каркасов из высечки.

2.2 Исследование прочности, жесткости и трещиностойкости плит БПР, армированных высечкой.

2.3 Исследование физико-механических свойств выштампованной стальной ленты.

2.4 Исследование деформативности и трещиностойкости бетона, армированного высечкой.

2.5 Исследование прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой.

2.6 Выводы по главе.

ГЛАВА III. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ, ЖЕСТКОСТИ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, АРМИРОВАННЫХ ВЫСЕЧКОЙ.

3.1 Принципы построения расчетных моделей железобетонных элементов.

3.2 Исследование особенностей совместного деформирования выиггампованной ленты с бетоном МКЭ.

3.3 Исследование напряженно-деформированного состояния изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой, по МКЭ.

3.4 Особенности расчета прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов, армированных высечкой.!.

3.5 Практический алгоритм расчета нормальных сечений изгибаемых железобетонных элементов с высечкой. Сопоставление экспериментальных и теоретических параметров НДС.

3.6 Моделирование объемного НДС бетона шпонок при работе на срез по МКЭ.

3.7 Некоторые рекомендации по конструированию железобетонных изделий с высечкой.

3.8 Выводы по главе.

ИТОГИ РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. В сложившихся экономических условиях много внимания уделяется вопросам ресурсосбережения и в частности вопросам повторного эффективного использования побочных продуктов и отходов промышленности. В связи с резким ростом энергетических затрат эти вопросы в последнее время приобрели особую актуальность. Строительные изделия на базе отходов металлоштамповки позволяют существенно снизить их себестоимость, не ухудшая эксплуатационных характеристик.

Широкое развитие сборного и монолитного железобетона требует все большего количества арматурной стали. Так, к примеру, расход стали на армирование сборного железобетона в бывшем СССР составил в 1954 году около 300 тыс. т., а в 1985 году - 9.5 млн. т. или более 40% всего металла, выделенного на нужды строительства [49]. В целом, ежегодно на производство железобетона до 1986 года расходовалось около 13 млн. т. стали [49].

Однако, в 90-х годах стоимость энергоресурсов начала возрастать, что повлекло резкое удорожание стали (в 500-ь1000 раз). По подсчетам НИИЖБ, в России за последние двадцать лет для производства железобетона было израсходовано около 200 млн. т. стали, а энергетические затраты составили не менее 300 млн. т. условного топлива [26]. Переход к рыночным отношениям по-новому поставил вопросы изготовления железобетонных конструкций. Наряду с выполнением требований нормативных документов, оптимизации и снижения себестоимости строительных изделий и конструкций, возникла необходимость поиска рынков сбыта продукции, выдерживания все более жесткой конкуренции товаров и т.д. Одним из направлений снижения себестоимости строительных изделий и конструкций является использование отходов металлоштамповки.

Развитие технологии металлоштамповки и особенно производства приводных цепей для различных машин и механизмов дало также и значительное увеличение объемов отходов в виде выштампованной стальной ленты - высечки, которая используется не эффективно и, в лучшем случае, идет на переплавку. Между тем, в сложившихся экономических условиях представляется весьма актуальным детальное исследование вопросов применения отходов металлоштамповки в качестве армирующего материала железобетонных изделий и конструкций.

Цель работы. Экспериментально-теоретические исследования прочности нормальных сечений, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов, армированных выштампованной лентой; особенностей деформирования данных элементов на всех стадиях работы, а также особенностей совместной работы высечки и бетона; разработка методики расчета прочности, жесткости, трещиностойкости и рекомендаций по конструированию для указанных элементов.

Научную новизну составляют:

- разработанная на основе МКЭ расчетная модель изгибаемого элемента, учитывающая особенности совместного деформирования высечки и бетона, нелинейное деформирование материалов; адаптированная для использования в комплексе с широко распространенными программными продуктами МКЭ с минимальным набором библиотеки конечных элементов;

- результаты экспериментально-теоретических исследований особенностей совместного деформирования высечки и бетона при растяжении;

- результаты экспериментально-теоретических исследований прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых балочных элементов с высечкой;

- разработанная методика расчета изгибаемых элементов с высечкой, учитывающая специфику использования выштампованной ленты в качестве армирующего материала.

Практическое значение работы. Проведенный комплекс экспериментально-теоретических исследований позволяет рекомендовать вариант более эффективного применения отходов металлоштамповки, а именно - использование высечки в качестве армирующего материала изгибаемых железобетонных изделий и конструкций, для чего имеются все необходимые технико-экономические предпосылки.

Автор защищает;

- расчетную модель железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, учитывающую особенности совместного деформирования выштампованной ленты и бетона, физическую и конструктивную нелинейность деформирования материала конструкции;

- результаты экспериментально-теоретических исследований особенностей совместного деформирования выштампованной ленты и бетона, а также прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых балочных элементов с высечкой;

- методику и алгоритм расчета прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых элементов, армированных выштампованной лентой.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:

- на 56-й международной научно-технической конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2004 г.;

- на 62-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета, Санкт-Петербург, СПбГАСУ, 2005 г.;

- на всероссийской ежегодной научно-технической конференции «НАУКА — ПРОИЗВОДСТВО - ТЕХНОЛОГИИ - ЭКОЛОГИЯ», Киров, ВятГУ, 2005 г.

Основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, итогов работы, списка использованных источников из 112 наименований и содержит 140 страниц основного текста, 14 таблиц, 61 рисунок, 1 приложение.

3.8 Выводы по главе

1. Армирование железобетонных изгибаемых элементов выштампованной стальной лентой качественно не изменяет характера работы конструкции в сравнении со стандартно армированными железобетонными элементами.

2. Работа изгибаемых железобетонных элементов с высечкой может быть адекватно смоделирована методом конечных элементов на основе блочной модели для обычного железобетонного элемента с учетом особенностей совместного деформирования высечки и бетона, а также особенностями предложенной методики учета НДС элемента при переходе из стадии 1а в стадию II.

3. Расчет параметров прочности, жесткости и трещиностойкости изгибаемых железобетонных элементов с высечкой возможно производить на основе широко распространенных методов теории деформирования железобетона с учетом особенностей работы выштампованной ленты в качестве армирующего материала, основными из которых являются: особенности деформирования ленты при растяжении как в свободном состоянии, так и с учетом работы окружающего бетона шпонок; особенности совместной работы выштампованной ленты и окружающего бетона, проявляющиеся в абсолютном доминировании фактора механического зацепления в обеспечении совместного деформирования ленты и бетона конструкции.

4. Предложенная методика расчета изгибаемых железобетонных элементов с высечкой достаточно проста, учитывает особенности совместного деформирования выштампованной ленты и бетона, позволяет получить достаточное согласование экспериментальных и теоретических значений параметров прочности, жесткости и трещиностойкости.

5. Приведены рекомендации по конструированию железобетонных элементов с высечкой, акцентирующие внимание на специфических особенностях применения выштампованной ленты в качестве армирующего материала.

ИТОГИ РАБОТЫ

1. Проведенные экспериментальные и теоретические исследования подтвердили практическую применимость выштампованной стальной ленты в качестве арматуры изгибаемых железобетонных изделий и конструкций.

2. Показана технико-экономическая эффективность применения высечки в качестве армирующего материала, что позволит сэкономить значительную часть металла при сохранении эксплуатационных характеристик конструкции.

3. Предложена расчетная модель изгибаемого элемента с высечкой на основе МКЭ, учитывающая особенности совместного деформирования выштампованной ленты и окружающего бетона, а также учитывающая нелинейную работу бетона сжатой зоны и растянутой арматуры, позволяющая адекватно оценивать прочность и жесткость конструкции на всех этапах работы.

4. Предложены зависимости для определения основных характеристик напряженно-деформированного состояния элемента с высечкой, учитывающие специфические прочностные и деформативные особенности выштампованной ленты.

5. Разработан практический алгоритм расчета железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, обладающий достаточной простотой и, в то же время, позволяющий в полной мере учесть специфику данного армирующего материала при работе его в составе железобетонной конструкции.

6. Экспериментом показано, что доминирующим фактором в обеспечении совместной работы высечки и бетона является механическое зацепление бетонных шпонок за выштампованные отверстия в ленте; шаг трещин кратен шагу просечек.

7. Работа изгибаемых железобетонных элементов с высечкой коренным образом не отличается от стандартно армированных изгибаемых железобетонных элементов. Необходимо отметить более равномерный характер распределения трещин в зоне изгиба, меньшую ширину их раскрытия, несколько большую жесткость элементов с высечкой в сравнении со стандартно армированными элементами при сопоставимых процентах армирования.

8. Сформулированы практические рекомендации по конструированию железобетонных изгибаемых элементов с высечкой, акцентирующие внимание на специфических аспектах применения высечки в качестве армирующего материала.

1. Али М.М. Численная модель взаимодействия арматуры с бетоном при постоянных нагрузках: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Алма-Ата, 1995. -23 с.

2. Астрова Т.И. Об оценке прочности сцепления стальной арматуры с бетоном // Трещиностойкость и деформативность обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций. — М.: Стройиздат, 1965. — с. 223-270

3. Ахвердов И.Н. Влияние усадки, условий твердения и циклических температурных воздействий на сцепление бетона с арматурой // Бетон и железобетон. — 1968. — №12. — с.4-7.

4. Бамбура A.II. Диаграмма «напряжения-деформации» для бетона при сжатии // Вопросы прочности, деформативности и трещиностойкости железобетона. -Ростов: РИСИ, 1980. с. 19-22.

5. Белов В.И. Напряженно-деформированное состояние балок как систем, состоящих из упругих блоков // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. -1971. №4. - с.22-27.

6. Берестнев В.И. Экспериментально-теоретические исследования основных свойств дисперсно армированного железобетона с высоким содержанием арматуры: Дис. канд. техн. наук. Л.: ЛИСИ, 1972. - 181 с.

7. Браун И.А. Разработка зигзагообразного профиля для арматуры и исследование ее работы с бетоном: Автореф. дис. . канд. техн. наук. — М.: НИИЖБ, 1986. — 16 с.

8. Букаченко А.И., Костенко В.В. Некоторые закономерности сцепления арматуры с бетоном в предварительно напряженных железобетонных элементах // Сб. Строительные конструкции. Вып. 19. Киев: Будивельник, 1972. - с.24-28.

9. Васильев П.И., Белов В.В. Поперечный изгиб железобетонных балок с нормальными трещинами // Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. С.-Петербург: СПбГАСУ, 1993. -с. 43-50.

10. Васильев П.И., Белов В.В., Пересыпкин С.Е. Деформирование системы бетонных блоков при совместном действии М, N и Q // Совершенствование методов расчета и исследование новых типов железобетонных конструкций. -С.-Петербург: СПбГАСУ, 1993. с.37-43.

11. И. Вербецкий Г.П. Лабораторные исследования влияния трещин на долговечность гидротехнического бетона // Труды координационных совещаний по гидротехнике. Вып. 13. М., 1964. - с.

12. Воронков Р.В. Железобетонные конструкции с листовой арматурой. — Л.: Стройиздат, 1975. — 145 с.

13. Ганага П.П. Предложения по аналитической зависимости между напряжениями и деформациями в арматуре // Бетон и железобетон. 1983. - №12. - с. 15-17.

14. Гараи Т. Исследование анкеровки арматуры в бетоне: Дисс. . канд. техн. наук. — М., 1953. —230 с.

15. Гвоздев А.А. Состояние и задачи исследования сцепления арматуры с бетоном // Бетон и железобетон. — 1968. —№12. — с. 1-4.

16. Гвоздев А.А., Дмитриев С.А., Крылов С.М. и др. Новое о прочности железобетона. М.: Стройиздат, 1977. - 272 с.

17. Гольдфайн Б.С., Ерин Н.Н. Об особенностях сцепления бетона с горизонтально расположенной арматурой // Анкеровка арматуры в бетоне. — М.: Стройиздат, 1969. —с. 50-63.

18. Гольдфайн Б.С., Холмянский М.М. и др. Особенности работы в железобетоне полосовой арматуры // Бетон и железобетон. — 1993. — №6. — с. 10-13.

19. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. М.: Издат-во стандартов, 1995. - 15 с.

20. ГОСТ 2283-79 Лента холоднокатанная из пружинной стали. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1995. - 18 с.

21. ГОСТ 2284-79 Лента холоднокатанная из углеродистой конструкционной стали. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 1995. - 18 с.

22. ГОСТ 8829-94. Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости. М.: МНТКС, 1997. - 27 с.

23. Зак M.JI., Гуща Ю.П. Аналитическое представление диаграммы сжатия бетона // Совершенствование методов расчета статически неопределимых железобетонных конструкций. -М.: ПИИЖБ, 1987. с. 103-107.

24. Залесов А.С. Новые методы расчета железобетонных элементов по нормальным сечениям на основе деформационной расчетной модели // Бетон и железобетон. 1997.-№5.-с. 31-34.

25. Звездов А.И., Залесов А.С., Мухамедиев Т.А., Чистяков Е.А. Расчет прочности железобетонных конструкций при действии изгибающих моментов и продольных сил по новым нормативным документам // Бетон и железобетон. -2002.-№2. -с. 21-25.

26. Звездов А.И., Михайлов К.В., Волков Ю.С. XXI век век бетона и железобетона // Бетон и железобетон. - 2001. - №1. - с. 2-6.

27. И-87-43 «Инструкция по применению высечки в железобетоне и для армирования каменной кладки» М.: Стройиздат Наркомстроя, 1944. - 10 с.

28. Карпенко Н.И. К построению модели сцепления арматуры с бетоном, учитывающей контактные трещины // Бетон и железобетон. 1973. - №1. - с. 1922.

29. Карпенко Н.И. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. -413 с.

30. Карпенко Н.И., Круглов В.М., Соловьев Л.Ю. Нелинейное деформирование бетона и железобетона. Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2001. - 276 с.

31. Карпенко Н.И., Мухамедиев Т.А. К расчету прочности нормальных сечений изгибаемых элементов // Бетон и железобетон. 1983. - №4. - с. 11-12.

32. Карпенко Н.И., Мухамедиев Т.А., Петров А.Н. Исходные и трансформированные диаграммы деформирования бетона и арматуры // Напряженно-деформированное состояние бетонных и железобетонных конструкций. -М.: НИИЖБ, 1986. с.7-25.

33. Карпенко Н.И., Судаков Г.Н. Сцепление арматуры с бетоном с учетом развития контактных трещин // Бетон и железобетон. 1984. - №12. - с.42-44.

34. Клименко Ф.Е. Сталебетонные конструкции с внешним полосовым армированием. Киев: Будивельник, 1984. - 88 с.

35. Клименко Ф.Е. Обычное и напрягаемое внешнее полосовое армирование сталебетонных балочных элементов и опытное их применение: Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. М., 1979. - 48 с.

36. Кольнер В.М. Исследование сцепления проволочной арматуры с пропаренным бетоном // Анкеровка арматуры в бетоне. — М.: Стройиздат, 1969. — с. 75-91.

37. Кольнер В.М. Сцепление проволоки периодического профиля с бетоном при передаче предварительных напряжений: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. — М., 1960

38. Лемыш Л.Л. Расчет железобетонных конструкций с использованием полных диаграмм бетона и арматуры // Бетон и железобетон. 1991. - №7. - с.21-23.

39. Либерман А.Д. Инструкция по применению высечки и других отходов металла в железобетонных и каменных конструкциях жилых зданий. — Киев: Техническое управление Министерства жилищно-гражданского строительства УССР, 1950.— 15 с.

40. Мадатян С.А. Арматура железобетонных конструкций. М.: Воентехлит, 2000. -256 с.

41. Мадатян С.А., Тулеев Т.Д., Суриков И.Н. и др. Влияние геометрических размеров периодического профиля стержневой арматуры на ее механические свойства // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. — 1991. — с.132-136.

42. Мадатян С.А., Тулеев Т.Д., Фридлянов В.Н. и др. Анкеровка ненапрягаемой стержневой арматуры // Бетон и железобетон. — 1990. —№12. — с.9-11.

43. Маилян Л.Р. Учет работы арматуры за физическим или условным пределом текучести // Бетон и железобетон. 1989. - №3. - с. 16-17.

44. Митрофанов Е.Н. Механические свойства армоцемента // Армоцементные пространственные конструкции. М.: Госстройиздат, 1961.-е.

45. Михайлов В.В. Расчет прочности нормальных сечений изгибаемых элементов с учетом полной диаграммы деформирования бетона // Бетон и железобетон. -1993. №3. - с.26-27.

46. Михайлов К.В. Проволочная арматура для предварительно напряженного железобетона. — М.: Стройиздат, 1964. 190 с.

47. Михайлов К.В. Сцепление арматуры с бетоном // Сб. тр. НИИ по строительству. —1952.

48. Михайлов К.В., Волков Ю.С. Бетон и железобетон в строительстве. М.: Стройиздат, 1987. - 103 с.

49. Мулин Н.М. Особенности деформаций изгибаемых элементов // Сб. трудов НИИЖБ Теория железобетона. М.: Стройиздат, 1972. - с.35-41.

50. Мулин Н.М. Стержневая арматура железобетонных конструкций. М.: Стройиздат, 1974. - 233 с.

51. Мулин Н.М., Коневский В.П., Судаков Г.Н. Новые типы профиля для стержневой арматуры // Сб. трудов НИИЖБ Эффективные виды арматуры для железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ, 1970, с. 16-45.

52. Мурашев В.И. Трещиноустойчивость, жесткость и прочность железобетона. -М.: Машстройиздат, 1950. 268 с.

53. Назаренко П.П. Контактное взаимодействие арматуры и бетона в элементах железобетонных конструкций: Автореф. дисс. . докт. техн. наук. М.: МГСУ, 1999.-34 с.

54. Оатул А.А. Основы теории сцепления арматуры с бетоном // Сб. тр. ЧПИ. — Челябинск, 1967. — №46.

55. Оатул А.А. Теоретические и экспериментальные исследования сцепления с бетоном стержневой и канатной арматуры: Дисс. . д-ра техн. наук. — Челябинск, 1969. — 597 с.

56. Оатул А.А., Кутин Ю.Ф., Пасешник В.В. Сцепление арматуры с бетоном // Известия вузов. Строительство и архитектура. — Новосибирск, 1977. — №5. — с.3-16.

57. Оатул А.А., Пыльнева Т.М. Предложения по построению теории ползучести сцепления арматуры с бетоном. — Челябинск: УралНИИСтром, 1969. — с.49-61.

58. Окунев Г.Н. Расчет изгибаемых элементов с учетом неупругих свойств бетона // Бетон и железобетон. 1993. - №8. - с. 28-30.

59. Окунев Г.Н. Расчет элементов конструкций с учетом неупругих свойств бетона // Бетон и железобетон. 1993. - №6. - с. 21-23.

60. Остапенко А.Ф. Универсальная зависимость для диаграмм деформирования бетона, арматуры и железобетонных элементов // Бетон и железобетон. 1992. -№7. - с. 23-24.

61. Пасешник В.В. Исследование внутреннего трещинообразования в центрально армированном коротком растянутом образце // Сб. тр. ЧПИ. — Челябинск, 1967.46. —с. 72-85.

62. Пересыпкин Е.Н. Расчет стержневых железобетонных элементов. М.: Стройиздат, 1988.- 169 с.

63. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелых и легких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СПиП 2.03.01-84) / ЦНИИПромзданий Госстроя СССР, НИИЖБ Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1996. - 188 с.

64. Расторгуев Б.С. Расчет прочности нормальных сечений железобетонных элементов с учетом предельных деформаций материалов // Методы расчета и конструирования железобетонных конструкций. М.: МГСУ, 1996. - с.92-98.

65. Ратц Э.Г., Холмянский М.М., Кольнер В.М. Передача арматурой предварительных напряжений на бетон // Бетон и железобетон. — 1958. — №1.с. 4-13.

66. Рекомендации по испытанию и оценке прочности, жесткости и трещиностойкости опытных образцов железобетонных конструкций. М.: НИИЖБ, 1987.-36 с.

67. Руф J1.B. Исследование анкеровки семипроволочных прядей // Бетон и железобетон. 1963. - №9. - с.410-413.

68. Сахновский К.В. Железобетонные конструкции. — М.: Госстройиздат, 1960. — 567 с.

69. Серия 1.038.1-1 Выпуск 1. Перемычки брусковые для жилых и общественных зданий. Рабочие чертежи. М.: ЦНИИЭПжилища, 1986. - 99 с.

70. Скоробогатов С.М. Влияние окружающего бетона на выносливость стержневой арматуры периодического профиля стержневой в изгибаемых элементах // Бетон и железобетон. — 1972. — №11. — с.39-40.

71. Скоробогатов С.М., Эдварде А.Д. Влияние периодического профиля стержневой арматуры на сцепление с бетоном // Бетон и железобетон. — 1979. — №9. — с.20-21.

72. СНиП 2.03.01-84* Бетонные и железобетонные конструкции / Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. 80 с.

73. СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. М.:ГУП ЦПП, 2004. - 24 с.

74. СП 52-101-2003 Бетонные и железобетонные конструкции без предварительного напряжения арматуры. М.: ГУП ЦПП, 2004. - 54 с.

75. Справочник строителя / Под ред. В.В. Бургмана и Б.С. Ухова. М.: Стройиздат, 1947.-724 с.

76. Столяров Я.В. Введение в теорию железобетона. — M.-JL: Госстройиздат, 1941. — 447 с.

77. Судаков Г.Н. К исследованию контактных трещин в зоне сцепления арматуры с бетоном // Сб. тр. НИИЖБ. — М., 1975. — вып. 21.-е. 20-25.

78. Узун И.А. Коэффициенты упругопластичности бетона сжатой зоны на всех стадиях работы элементов // Бетон и железобетон. 1993. - №8. - с.26-27.

79. Узун И.А. Реализация диаграмм деформирования бетона при однородном и неоднородном напряженных состояниях // Бетон и железобетон. 1991. - №8. -с. 19-20.

80. Узун И.А. Учет реальных диаграмм деформирования материалов в расчетах железобетонных конструкций // Бетон и железобетон. 1997. - №2. - с.25-27.

81. Уткин B.C., Шахова Е.Н. Снижение металлоемкости в сборном железобетоне за счет применения отъемной арматуры // Бетон и железобетон. — 1993. — №11. — с. 15-16.

82. Холмянский М.М. Бетон и железобетон: деформативность и прочность. — М.: Стройиздат, 1997. 559 с.

83. Холмянский М.М. Закладные детали сборных железобетонных элементов. — М.: Стройиздат, 1968. 208 с.

84. Холмянский М.М. и др. Влияние некоторых конструктивных и технологических факторов на сцепление проволочной арматуры с бетоном // Сб. тр. ВНИИЖелезобетон. Вып. 10. М., 1965.

85. Холмянский М.М. и др. Сцепление стержневой арматуры периодического профиля с бетоном // Сцепление арматуры с бетоном. — М., 1971. с.81-87.

86. Холмянский М.М. Контакт арматуры с бетоном. — М.: Стройиздат, 1981. — 184 с.

87. Холмянский М.М. Трещинообразование в результате раскалывания бетона арматурой. М.: Стройиздат, 1968. - с. 118-144.

88. Холмянский М.М., Алиев Ш.А., Белович Ф.С. Экспериментальное определение поперечного давления арматуры периодического профиля на бетон // Сб. трудов ВНИИжелезобетон. Вып. 9 М.: 1964. - с. 114-125.

89. Цехмистров В.М. Расчет напряжений и деформаций при выдергивании арматуры из бетонной призмы, опертой на торец // Сб. тр. ЧПИ. — Челябинск, 1967. — №46. —с. 27-44.

90. Чкуаселидзе Л.Г., Ерофеев B.C. К вопросу оценки механики трещинообразования при нарушении сцепления арматуры с бетоном ультразвуковым способом // Сб. тр. НИИЖБ. Вып. 21 — М., 1975. — с. 17.

91. Школьный А.П. Сцепление арматуры периодического профиля с бетоном при кратковременном, длительном статическом и вибрационном режимах нагружения: Автореф. дисс. канд. техн. наук. — М., 1986. — 21 с.

92. Школьный П.А. Сцепление арматуры с бетоном // Проблемы прочности. — 1972, — №8. — с.30-35

93. Шоршнев Г.Н. Новые ЖБК корпусов высокого давления: Дис. . д-ра техн. наук. Л.: ЛИСИ, 1978. - 335 с.

94. Amstutz Е. Uber das Zusammenwirken von Bewehrung und Beton in Stahlbetonbauwerken // Der Bauingenier. — 1995. — Heft 10.

95. Bichara A. Cahiers du center scientifique et technique du batiment, Cahier 127, Paris, 1951.

96. Bishara A. Etude du probleme de l'adherence dans le beton arme // Cashiers du Centre Scientifique et Technique du Batiment / Cashier 117 et 127. — Paris. — 1951.

97. Broms B. Crack width and crack spacing in reinforced concrete members // ACI Journal.— 1965. —№2, 9, 10.

98. Clark A. Cracking in reinforced concrete flexural members // ACI Journal. — 1956. — Proc. v. 52. —Pp. 851-862.

99. Emperger F. Die Rissfrage bei hoher Stahlspannungen und die zulasstige Blosslegung des Stahles // Mitteilungen iiber Versuche ausgefurt vom Osterreichen Eisbeton Ausschuss. — 1935. — Heft 16.

100. EN 10080 Steel for reinforcement of concrete. Weldable ribbed reinforcing steel B500. Technical delivery conditions for bars, coils and welded. CEN 1995, 43 p.

101. Evans R., Robinson G. "Proc. of the Inst, of Civil Engs.", London, pt. 1, v. 4, №4, March 1955.

102. Evans R.H. Williams A. Bond stress and crack width in beams reinforced with square grip reinforcement // RILEM, Symposium on bond and crack formation in reinforced concrete. — 1957. — v. 1-11.

103. Goto Y. Cracks formed in concrete around deformed tension bars // ACI Journal. — 1971. —№4.

104. ISO/DIN 6935-2 Steel for the reinforcement of concrete. Part 2. Ribbed bars, 1990

105. Kuuskocki V. Uber die Haftung zwischen Beton und Stahl. The state institute for technical research, Finland, publication 19, Helsinki, 1950.

106. Martin H., Noakowski P. // Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton, 1981. — H.319

107. Mizuno Т., Watanabe A., Nom. Fac. Eng. Kyushu Univ., v.25, №3, 1966.

108. Nilson A. Internal measurement of bond slip // ACI Journal. — 1972. — №7.- pp. 439-441.

109. Rehm G. Uber die Grundlagen des Verbindens zwischen Stahl und Beton // Deutscher Ausschuss fur Stahlbeton, 1961. — H. 138. — 59 s.