автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа и несущая способность сжатых железобетонных элементов с различными эксцентриситетами на концах

^ ПОЛТАВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ЮРІЯ КОНДРАТЮКА

БАБИЧ СЕРГІЙ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 624.012

РОБОТА ТА НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ СТИСНУТИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ ЕЛЕМЕНТІВ ІЗ РІЗНИМИ ЕКСЦЕНТРИСИТЕТАМИ НА КІНЦЯХ

05. 23. 01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПОЛТАВА - 1998

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі інженерних конструкцій Української державної академії водного господарства Міністерства освіти України

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

РОМАШКО Василь Миколайович, Українська державна академія водного господарства, доцент кафедри інженерних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор ФОМИЦЯ Леонід Миколайович, Сумський державний аграрний університет, завідувач кафедри промислового та цивільного будівництва;

кандидат технічних наук, доцент ШКУРУПІИ Олександр Анатолійович, Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, декан будівельного факультету.

Провідна установа

Лвівський державний аграрний університет, кафедра будівельних конструкцій, Міністерство агропромислового комплексу України, м.Львів.

Захист відбудеться «2» червня 1998 року о ІЗ22 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.25.01.02 при Полтавському державному технічному університеті імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24, ауд.234.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Полтавського державного технічного університету імені Юрія Кондратюка за адресою:

314601, м. Полтава, Першотравневий проспект, 24.

Автореферат розісланий «29» квітня 1998 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема зниження

матеріаломісткості залишається однією з найактуальніших у практиці будівництва. Одним із основних напрямків економії матеріалів, які складають залізобетонні конструкції, є удосконалення методів їх розрахунку. Значною мірою такого удосконалення потребують стиснуті елементи, хоча з вивчення їх несучої здатності та деформативності виконана велика кількість досліджень. Відомо, що методика, за якою розраховуються позацентрово стиснуті елементи в діючих нормах (СНиП 2.03.01-84*), має високу надійність. В той же час, вона базується на експериментально-теоретичних дослідженнях елементів, які випробувані за так званою основною схемою: стержень з шарнірним опиранням та завантажений поздовжньою силою, прикладеною до його кінців із рівними та однаково направленими ексцентриситетами. Але такі елементи на практиці зустрічаються досить рідко. Тому отримані результати не завжди можуть бути в повній мірі розповсюджені на більш складні випадки, якими є, наприклад, стиснуті елементи, завантажені на кінцях із різними ексцентриситетами. У випадку різних умов на кінцях стояків існуюча нормативна методика значно занижує їх несучу здатність, що призводить до збільшення витрат матеріалів та, відповідно, ваги конструкцій і споруд.

На нашу думку, будь-який стиснутий елемент у складі стержневої системи, незалежно від характеру з'єднання його з іншими елементами, можна розглядати як шарнірно опертий стержень, завантажений силою з ексцентриситетами на кінцях, отриманими із статичного розрахунку системи. Проведені нечисленні дослідження колон за такою схемою не мали цілеспрямованого та теоретично обгрунтованого характеру. Не було внесено пропозицій до діючих норм щодо розрахунку таких елементів.

Тому експериментальне вивчення напружено-деформованого стану окремих позацентрово стиснутих колон із різними ексцентриситетами на кінцях, як загального випадку роботи стиснутих елементів, і розробка рекомендацій з розрахунку їх несучої здатності та деформацій з подальшим її використанням для розрахунку стояків у складі стержневих систем є важливою та актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими

програмами. Виконана робота є одним із чергових етапів досліджень, які проводяться на кафедрі інженерних конструкцій Української державної академії водного господарства за комплексною темою «Удосконалення будівельних конструкцій та методів розрахунку на основі поглибленого вивчення їх дійсної роботи та фізико-механічних властивостей матеріалів».

Мета робот'н: експериментально дослідити за умови

короткочасного навантаження характер деформування стиснутих елементів у складі стержневої системи та роботу позацентрово стиснутих елементів прямокутного перерізу, що входять до складу стержневих систем і мають різні кінцеві умови, та розробити методику їх розрахунку.

Задачі досліджень.

1. Розробити методику розрахунку позацентрово стиснутих елементів за деформованою схемою та перевірити її коректність за результатами власних експериментів і досліджень інших авторів.

2. Розробити методику експериментальних досліджень і провести випробування замкненої рами та окремих колон, завантажених силою з різними ексцентриситетами на кінцях.

3. Запропонувати доповнення до методики діючих норм щодо розрахунку позацентрово стиснутих елементів за різних кінцевих умов.

4. Провести варіантне проектування стиснутих елементів рамних конструкцій

за методиками: діючих норм, діючих норм із запропонованими

доповненнями, за розробленою методикою та виконати їх техніко-економічне порівняння.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Експериментально доведено, що форма зігнутої осі стиснутих елементів стержневих систем, а, отже, і їх несуча здатність залежать від характеру завантаження і не можуть бути охоплені методикою норм, яка грунтується на випробуваннях шарнірно опертих стояків, завантажених поздовжньою силою, прикладеною до їх кінців із рівними та направленими в одну сторону ексцентриситетами.

2. Вперше проведені цілеспрямовані експериментальні дослідження напружено-деформованого стану позацентрово стиснутих залізобетонних колон із різними ексцентриситетами на кінцях.

3. Розроблена методика визначення прогинів за будь-якого рівня навантаження в будь-якому перерізі позацентрово стиснутого елемента.

4. Вперше запропонована загальна медодика розрахунку несучої здатності позацентрово стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях, що працюють у складі стержневих систем, за деформованою схемою.

Практичне значення одержаних

результатів.

1. Експериментально та теоретично підтверджені пропозиції щодо врахування особливостей роботи стиснутих елементів у складі стержневих систем.

2. Запропонована методика доповнює і розвиває існуючі методики проектування позацентрово сиснутих елементів і є за своєю суттю оптимізаційною. Вона дозволяє розширити область раціонального

проектування залізобетонних стержневих конструкцій, повністю враховувати властивості матеріалів, з яких вони складаються, та на цій основі зменшити їх матеріаломісткість і, відповідно, собівартість.

3. Розроблені доповнення дають змогу проводити розрахунок позацентрово стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях на основі нормативної методики.

Матеріали дисертації були використані інститутом «Рівнеагропроект» під час проектування колон цеху з виробництва кабельно-провідникової продукції. Робота виконана на замовлення Рівненського радіозаводу (договір №99.94.01.97 від 3.03.97).

Особистий внесок здобувана. Всі ідеї та розробки, викладені в дисертації, належать здобувачеві.

Апробація роботи. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на Першій всеукраїнській науково-технічній конференції «Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону» в м. Київ (1996 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» в м.Рівне (1996 р.), конференції «Проблеми теорії і практики будівництва» в м.Львів (1997 р.), конференції «Проблеми теорії і практики залізобетону» в м.Полтава (1997 р.), конференції «Актуальні проблеми водного господарства» в м.Рівне (1997р.), на II та III науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВГ в м.Рівне (1996-1997 рр.).

Публікації. Основний зміст дисертації викладений у 3 статтях у збірниках наукових праць та 5 тезах доповідей конференцій.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, п'яти розділів, загальних висновків та списку використаних літературних джерел із 176 найменувань. Повний обсяг дисертації становить 193 сторінки, які включають 139 сторінок основного тексту, 33 таблиці та 67 ілюстрацій.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях, актуальність роботи, викладені мета, задачі досліджень, її наукова новизна та практична цінність.

В першому розділі проаналізовані праці вітчизняних та зарубіжних вчених, які присвячені теоретичному та експериментальному вивченню роботи елементів із нешарнірним закріпленням на кінцях, і викладений огляд основних питань, важливих для створення сучасної методики розрахунку залізобетонних позацентрово стиснутих стержнів.

На даний час Бамбура A.M., Бачинський В.Я., Вахненко П.Ф., ГеніштаЛ.М., Ісмаілов М.О., Нісканен Н.О., Стороженко Л.І, Харченко O.A., Шкурупій O.A., Baumann О., Bencert K.H., Breen J.E., Ferguson P.P., Furlong R.W., Manuel R.F., Maccregor J.O. та інші провели експерементальні дослідження позацентрово та косостиснутих залізобетонних елементів із нешарнірним закріпленням кінців за короткочасного та тривалого навантаження. Граничні умови імітували в спеціальних установках. Були запропоновані рекомендації з урахування роботи таких елементів у складі стержневих систем та обчислення їх прогинів і несучої здатності. Разом з тим, створені методики досить складні, потребують використання параметрів, значення яких для реальних конструкцій можуть бути отримані лише під час їх натурних випробувань. В першу чергу це стосується знаходження характеристик жорсткості закріплення кінців стиснутого елемента в суміжних конструкціях. Крім того, в ході досліджень отримали різні форми зігнутої осі стержнів, але все ж їх спектр, в порівнянні із деформуванням стиснутих елементів реальних конструкцій, виявився неповним.

Разом з тим, стиснутий елемент у складі стержневої системи можна моделювати як шарнірно опертий стояк із ексцентриситетами на кінцях, отриманими із статичного розрахунку системи. Проведені Талем К.Е., Чистяковим Є.О., Семенюком С.Д. нечисленні дослідження стиснутих елементів за різних кінцевих ексцентриситетів не мали чіткої направленості та не були пов'язані із подальшим вивченням їх роботи в реальних конструкціях. В діючих нормах немає рекомендацій по врахуванню різних кінцевих умов стиснутих елементів.

Таким чином, основними задачами досліджень були :

A. Шляхом випробування рами із різними схемами завантаження підтвердити, що форма зігнутої осі стиснутих елементів залізобетонних стержневих систем змінюється в залежності від характеру прикладеного навантаження та відповідає теоретичним умовам деформування стиснутих елементів стержневих систем.

B. Провести експериментальні дослідження залізобетонних позацентрово стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях для вивчення їх роботи та характеру руйнування.

C. Розробити методику розрахунку за деформованою схемою позацентрово стиснутих елементів за різних кінцевих умов і перевірити її коректність за результатами власних експериментів і матеріалами інших дослідників.

О.Запропонувати доповнення до методики норм щодо розрахунку позацентрово стиснутих елементів за різних кінцевих умов. Провести варіантне проектування стояків рамних конструкцій за методиками : діючих норм, діючих норм із запропонованими доповненнями та розробленою і

виконати їх техніко-економічне порівняння.

У другому розділі виконані теоретичні дослідження та розроблена методика розрахунку несучої здатності позацентрово стиснутих елементів прямокутного перерізу із різними ексцентриситетами на кінцях.

Для переходу від розрахунку стиснутого елемента у складі стержневої системи до розрахунку його як окремого елемента пропонуємо: а) вважати, що всі елементи стержневих залізобетонних систем об'єднуються між собою за допомогою : шарнірного з'єднання, яке не передає момент, та жорсткого з'єднання, яке передає момент; б) параметри впливу суміжних елементів системи та її деформативність враховувати згідно із нормативною методикою розрахункових довжин (табл.32, 33 СНиП 2.03.01-84*); в) моделювати такий елемент для дослідження та розрахунку як окремий шарнірно закріплений стержень, що завантажений на кінцях поздовжніми силами із всім спектром можливих ексцентриситетів у вузлах: -1 < к = е} / е2 й 1 {еІ - менший із ексцентриситетів на кінцях, е2 - більший із ексцентриситетів).

В основу розробленої методики були покладені такі передумови: 1) для будь-якого перерізу по довжині елемента вважали справедливою гіпотезу плоских перерізів; 2) зв'язок між напругами та середніми деформаціями арматури приймали у вигляді ідеалізованої діаграми Прандтля; 3) зв'язок між напругами та деформаціями бетону колон приймали у вигляді єдиного полінома, який описував висхідну та низхідну вітки деформування

Оь=ахЕь+а2£ь+агеь, (1)

отриманого для центрально навантажених призм; 4) для нетріснувшої частини перерізу використовували інтегральний модуль деформацій бетону; 5) розрахунок прогинів проводили на основі теорії малих деформацій; 6) епюру напруг в розтягнутій зоні бетону приймали прямокутною або трикутною в залежності від відносних видовжень найбільш розтягнутих фібр бетону.

Розрахунок стержнів прямокутного перерізу (АхЛ), стиснутих із різними ексцентриситетами на кінцях, пропонується виконувати в такій послідовності:

1.Елемент, що розраховується, розділяємо по довжині на п ділянок.

2.Вважаємо, що поздовжня сила та значення початкових ексцентриситетів в центрах ділянок відомі із розрахунку стержневої системи за недеформованою схемою. При цьому виділимо два випадки напружено-деформованого стану перерізу, кожному із яких характерні свої невідомі. Границею між ними є наявність розтягуючих напруг у бетоні менш навантаженої грані. Напружено-деформований стан довільного перерізу, що відповідає першому випадку, зображено на рис. 1 ,а; а система рівнянь, що його описує, представлена формулами (2).

Рис.1. Епюри напруг та деформацій, що відповідають першому а) та другому б) випадку напружено* деформованого стану nepepby

i Nb + Ns + Nsc = N-

\м„ +Nsas + Nsc(h-asc)=,N(e0 + h/ 2). J

Невідомими тут є деформації крайових волокон: більш стиснутого - є* та менш стиснутого - Є*;. Система розв'язується ітераційними методами і є дійсною, поки виконуються такі умови: є* ^ е*„ ; ст„ < Rsc\ є4/ >0. При невиконанні двох перших умов відбувається руйнування перерізу. Невиконання останньої умови свідчить про перехід до другого випадку напружено-деформованого стану перерізу, який зображений на рис. 1,6. Система рівнянь, що його описує, представлена формулами (3). Невідомими тут є крайові деформації більш стиснутої зони бетону £* та висота стиснутої зопих ¡N„-N, + N„-N„=N1

[Mb+Ns(h-x-as) + Nsc(x-asc) + Nblat>l=N(eQ-h/2 + x).

Для запобігання руйнуванню елемента на систему (3) накладаємо такі обмеження : Єі, < £(,„ ; ase 2 Rsc; oj < Rs. Допускаємо, що елемент працює спочатку без тріщин, і для знаходження деформацій найбільш та менш стиснутих волокон £* та £*/ в межах кожної ділянки розв'язуємо систему рівнянь (2). Ті ділянки, де утворились тріщини (£*; < 0), розраховуємо за системою рівнянь (3), обчислюючи ДЛЯ КОЖНОЇ ІЗ НИХ висоту стиснутої ЗОНИ Xf.

З.Визначаємо висоту нетріснувшої частини перерізу кожної із ділянок за формулою хи=хі(\ + єш/єьі). (4)

4.3находимо жорсткості кожної із ділянок за формулою

Ві = Еы{Ь4П2+Ьхи(Уо, ~хи /2 f) + Es{As(ho, -Уа)2 +АсЬ’а ~asc)2),(5) де уоі - відстань від більш стиснутої грані до центра ваги зведеного перерізу, Еьг інтегральний модуль деформацій бетону нетріснувшої частини перерізу із відомим рівнем деформацій та ексцентриситетом. Представимо його у вигляді

еьі = Eb0(l-cne), (б)

де ЕЬо - модуль пружності бетону; с = f (е0 / h) - функція впливу ексцентриситетів; Пе = / (Єь І £*я) - функція впливу рівня деформацій. Інтегральну жорсткість всього стержня BJn‘ обчислюємо як середньозважене жорсткостей ділянок за формулою

5іт = І0,/,.Д, (7)

і=і /

де // - довжина ділянки із жорсткістю L - геометрична довжина елемента.

5. Знаходимо прогин в центрі кожної ділянки за формулою

у і = е2 / и[и /sin«(sin(M -aq) + ksmaq)- ((« - aq) + kaqj\, (8)

яка отримана розв'язком диференційного рівняння малих згинальних переміщень для стержня з довільними умовами закріплення кінців методом початкових параметрів. Тут а = VN/B, и = а х L - параметри навантаження, q - координата вздовж довжини елемента L. Визначаємо значення розрахункового ексцентриситета в центрі кожної з ділянок

ei{q)=eQi(q) + yi(q). (9)

6.Повторюємо розрахунок за п.п.2...5 для нових значень ексцентриситів, обчислених за формулою (9). Знаходимо нові значення прогинів в центрі кожної із ділянок - Уі+і за формулою (8) та нові значення розрахункових ексцентриситетів еІ+і за (9). Точність в обчисленні прогинів приймемо: 1/я х *ІХУі+і(я) ' Уі(Я)) І Уі(я) ^ 1%- Якщо вона досягнута, то прогин елемента в кожній точці знайдено; якщо ні, то повторюємо розрахунок, починаючи з п.2.

7.Далі розглянемо процес перевірки міцності перерізу. Якщо значення розрахункового ексцентриситета в найбільш небезпечному перерізі відоме, то його несучу здатність обчислимо за формулою

Y,Муі / тах(<?,.) = £Nvl;£MW max, (10) де тах(<?,) - максимальний розрахунковий ексцентриситет для всього елемента; N„i та Mti - відповідно внутрішні сили та моменти в перерізі із ексцентриситетом тах(ві). Зрозуміло, що в загальному випадку, величина діючої поздовжньої сили (назвемо її нижньою межею міцності - Nod і визначена несуча здатність перерізу (Nu - верхня межа міцності) не співпадуть. Переріз не зруйнується, поки виконується умова

X0i<Nu, (11)

в протилежному випадку відбувається руйнування перерізу, а з ним і елемента.

8.Розроблена ітераційна методика дозволяє також знаходити несучу здатність позацентрово стиснутого елемента. У цьому випадку в розрахунковому перерізі добиваємося виконання умови N0i = Nu, наперед не знаючи нижньої межі міцності.

9.Дійсну несучу здатність для забезпечення надійності обчислень приймаємо за

НИЖНЬОЮ межею МІЦНОСТІ ІЗ ТОЧНІСТЮ (N0,i+1 - Noi) / NO'I+I < 1 %.

За розробленою методикою була складена програма на ЕОМ і розраховано 50 позацентрово стиснутих колон із однаково направленими та рівними ексцентриситетами на кінцях. Середнє арифметичне відхилення відносної похибки експериментальних та теоретичних значень несучої здатності склало Д = -1,53%, а стандартне відхилення дорівнювало сг = ±8,83%, тобто точність була задовільною. Для стиснутих елементів із різним відношенням кінцевих ексцентриситетів запропонована методика потребувала експериментальної перевірки.

В третьому розділі наведені програма та методика досліджень, конструкція зразків та установок. Експеримент проводили в два етапи: на першому готували до випробувань одноконтурну раму; на другому -окремі гнучкі позацентрово стиснуті колони.

Геометричні розміри перерізів елементів рами становили: ригелі -b xh = 150x100 мм, за L = 1500 мм ; стояків - Ь х h = 150x100 мм, за L = 2700 мм. Ригелі армували симетричною поздовжньою арматурою 014 А III в кутах перерізу та поперечною 04 ВрІ через 100 мм; стояки - симетричною поздовжньою арматурою 010 А III в кутах перерізу та поперечною 04 ВрІ через 150 мм. Деформації матеріалів рами вимірювали тензодатчиками за допомогою комплексу СИИТ-3: бетону в 13-ти перерізах рами, арматури у 8-ми перерізах.

Для випробування рами був виготовлений стенд. Навантаження в ньому створювали за допомогою гідравлічних домкратів і через тяги передавали на дослідний зразок. Його величину контролювали зразковими динамометрами та за показами манометрів насосних станцій. Прогини елементів рами вимірювали в 20-ти перерізах прогиномірами системи 6ПАО та індикаторами годинникового типу як в площині рами, так і із її площини. Для перевірки припущення про те, що деформування стояків рами буде залежити від характеру завантаження, сили прикладали за двома схемами, відповідно до яких розрізняли першу та другу схему роботи рами (рис.2).

Зусилля Ni прикладали по геометричній осі відповідного стояка рами. Відношення зусиль приймали Ni/Nj = 2 та підтримували сталим за обох схем роботи рами. Попередньо виконали розрахунок рами за допомогою програми «Міраж». Обчислене таким чином граничне навантаження на раму N\ склало 250 кН. Величину кінцевого навантаження для першої схеми роботи одноконтурної рами прийняли Nj~ 0,4N и= 2Nj + N2 = 100 кН. Оскільки експериментальне значення руйнівного навантаження для схеми роботи II склало Nu = 330 кН, кінцеве навантаження за схеми роботи І Nj = 100 кН становило 0,3Nu. Початкове навантаження на раму N0, яке включало в себе вагу

силових пакетів, дорівнювало б кН. Крок збільшення навантаження становив: для першої схеми роботи рами AN/= 2 ДNt + AN2 = 12,5 кН, для другої - ДNu = 2x(ANI + AN2) = 15 кН(= H20NU). Значення показів всіх приладів знімали двічі: після прикладання кожного ступеня навантаження та після витримки. Величина витримки становила 8-10 хв. за першою схемою роботи та 10-15 хв -за другою. Спостереження за виникненням та розвитком тріщин здійснювали

візуально, а ширину розкриття тріщин вимірювали мікроскопом. Після

випробування рами за першою схемою роботи навантаження скидали до початкового N0 і завантажували її за схемою II до руйнування.

На другому етапі досліджень за мету ставили: експериментально оцінити вплив зміни характеру

завантаження на несучу здатність та деформативність окремих

позацентрово стиснутих елементів. Для цього були виготовлені та випробувані на дію

короткочасного навантаження 15 колон із звичайного важкого бетону, які були розподілені на 5 серій по 3 елементи в кожній.

Змінювали дві величини: між серіями відношення кінцевих ексцентриситетів -к - et / е2 (1; 0,5; 0; -0,5; -1); всередині серії: відношення більшого кінцевого ексцентриситета до висоти перерізу - е2/ h (0,2; 0,5; 1). Геометричну довжину колон (L = 2680 мм), номінальні розміри їх перерізів (b х h = 160x100 мм), поздовжнє та поперечне армування і розташування арматури по перерізу прийняли однаковим для всіх серій колон. В якості робочої використовували симетрично розташовану в кутах перерізу арматуру 010 АНІ, яку збирали в просторові в'язані каркаси за допомогою поперечної арматури - хомутів із

04 ВрІ, розміщених із кроком 150 мм.

Колони виготовляли в дерев'яній опалубці. Міцносні та деформативні властивості бетону контролювали шляхом випробування кубів зі стороною 150 мм та призм із розмірами 150x150x600 мм. Для одержання коефіцієнтів поліномів вигляду (1) призми випробовували до руйнування ступеневим навантаженням із кроком -1/10 Äj.

Випробування колон проводили за шарнірного опирання кінців в спеціальній пружинній установці. Створене домкратом навантаження контролювали за показами зразкового динамометра системи Токаря і через пружинний пакет передавали на дослідний зразок. Похибка на тертя, що

Рис. 2 Схеми завантаження одноконтурноТ рами

виникає в пружинних пакетах, була визначена та врахована. Колони випробовували до руйнування ступеневим навантаженням. В залежності від серії, величина ступенів на початкових стадіях складала приблизно 1/10+1/15 від передбачуваного руйнівного навантаження Nu. При навантаженнях, що перевищували 0,8/Уи, величина ступенів складала 1/20+1/25 від Л^. Під час витримки під навантаженням проводили огляд зразків для виявлення тріщин та вимірювання ширини їх розкриття. Для закріплення колони в проектному положенні та передачі навантаження на неї використовували опорні башмаки. Датчики на бетоні та арматурі розміщували в трьох перерізах - четвертях елемента. Напружений стан кожного стояка контролювали за показами 84 датчиків (60 на бетоні та 24 на арматурі). Для вимірювання переміщень використовували пропшоміри системи 6ПАО. Прилади розміщували у 8-ми перерізах по довжині колони: на опорах, в четвертях та характерних точках деформованої осі.

Вчетвертому розділі наведені та проаналізовані основні результати експериментальних досліджень та перевірена їх відповідність теоретичним розробкам.

Схема деформування суперелемента стержневої системи - одноконтурної рами - залежала від характеру завантаження (рис.З).

Рівень тріщиноутворення в елементах рами становив: для ригелів -

0,45^,, (нижній ригель) + 0,65^« (верхній ригель); для стояків - 0,719^ (лівий стояк) + 0,Ши (правий стояк). Руйнування рами відбулось за загального навантаження = 330 Ш під силою в перерізі верхнього ригеля рами.

Вивчення роботи одноконтурної рами в процесі її завантаження проводили із урахуванням тріщиноутворення та розвитку пластичних деформацій в бетоні. Моменти, отримані розрахунком рами за МСЕ («Міраж») для двох її перерізів за схеми роботи II, порівнювали з дійсними моментами, обчисленими за показами динамометрів та результатами тензометрії в цих же перерізах. Значення моментів знаходили на декількох етапах навантаження, що дало можливість прослідкувати за процесом перерозподілу зусиль в рамі. Його описання вимагало використання реальної діаграми роботи бетону, яку будували в осях «напруги-деформації» за результатами випробування бетонних призм на центральний стиск.

Всі випробувані колони із різними умовами на кінцях за характером руйнування розділяли на дві групи. До першої відносились ті колони, в яких руйнування починалось із розтягнутої зони, де деформації арматури досягали граничних значень, а закінчувалось утворенням лещадок в бетоні стиснутої зони (колони серії Е). Елементи всіх інших серій були віднесені до другої групи. їх руйнування починалось із стиснутої зони, при цьому напруги в

розтягнутих стержнях не досягали межі текучості. Момент появи тріщин в колонах (а = Ncrc / Ыи) залежав від багатьох факторів і становив: СТ= 0,25... 1,0.

М

2,055

)>, ИМ

-4

0 1 2

£. м

• 10 0 10

— розрахунок за МСЕ

експериментальні прогини

Рис. 3. Прогини стояків та ригелів у площині рами за схемами завантаження: а) І - /V = 0,347^1/ = 104,5 кН ; б) 11 - N = 0,97Мі = 321 кН

При руйнуванні колон величина середніх деформацій бетону найбільш стиснутої грані коливалась в досить широких межах: 0,95£*д (160x10'5) + 1,95 (339х10‘5). Її залежність від початкового ексцентриситета і класу

оетону виражена нечітко.

Аналіз епюри напруг в стиснутому бетоні показав, що значення коефіцієнта сх, який характеризує положення рівнодіючої в стиснутому бетоні, під час завантаження змінювалось в межах 0,32...0,45г Тобто епюра напруг в

стиснутому бетоні тільки за високих рівнів навантаження наближається до прямокутної форми. Вважаючи, що сх залежить тільки від рівня деформацій (Пс= £* / £*Л), пропонуємо обчислювати його за формулою

сх = 0,3291 + 0,03617]£. (12)

Для розрахунку стиснутих елементів суттєвим є значення інтегрального модуля деформацій бетону нетріснувшої частини перерізу. Обробка результатів експерименту показала, що для випробуваних зразків інтегральний модуль деформацій був майже в 1,5 рази більший значень уЕь, обумовлених нормами. Його пропонуємо визначати за формулою

Еь =^(1-^(0,2878-0,0172^/*) ). (13)

Для обробки результатів експериментальних досліджень позацентрово стиснутих колон використовували графік «напруги-деформації», отриманий за результатами випробування призм і описаний поліномом вигляду (1). Обгрунтованість такого переносу підтверджується тим, що середнє арифметичне значення А, % = (Л^*,,,, - Nь,схр)ІНьа>ог в 196 точках всіх колон за різних рівнів навантаження склало 4,53%, стандартне відхилення дорівнювало а = ±13,3%. Тут Мь'Оиог - зусилля в стиснутому бетоні, обчислене з умови трансформації поліномів вигляду (1) на переріз, а МЬгЄхр - зусилля в стиснутому бетоні, підраховане на основі показів тензодатчиків.

Деформований стан елемента за будь-якого рівня навантаження характеризувала лінія розрахункових ексцентриситетів, значення в кожній точці якої отримували через суму значень прогину та початкового ексцентриситета. Максимум лінії розрахункових ексцентриситетів визначав координату найбільш небезпечного перерізу. Його положення для елементів із різними ексцентристетами на кінцях за всіх рівнів навантаження не співпадало із координатою перерізу із найбільшим прогином. Крім того, аналіз деформування колон в процесі їх завантаження показав, що для більшості із них положення розрахункового перерізу не було постійним, а дещо переміщувалось із зростанням навантаження. Тому для стиснутих елементів із різними умовами на кінцях необхідно обчислювати не розрахунковий переріз взагалі, а розрахунковий переріз за конкретного рівня навантаження. Симетричність зігнутої осі стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях відносно середини їх довжини була відсутня, а форма зігнутої осі залишалась стабільною (стійкою) протягом всього завантаження. Втрату стійкості в стиснутих елементах, пов'язаною із зміною форми зігнутої осі (біфуркацією), в стадіях, близьких до критичної, не спостерігали.

Теоретичну несучу здатність колон, визначену за розробленою методикою, порівнювали із. експериментальною несучою здатністю (табл.1).

Таблиця 1

Порівняння теоретичної та експериментальної несучої здатності

Колона II «> 8=Є2ііі ^іИеоп кН ^ехру кН N\hcor ~^ехру ш А, %

А0.2 0,5 0,2 179,4 178,5 0,9 0,5

А0.5 0,5 0,5 99,0 99,2 0,2 0,27

А1.0 0,5 1,0 63,7 69,2 5,5 -8,63

ВО.2 0 0,2 215 211 4,0 1,86

ВО.5 0 0,5 145,5 140,8 4,7 3,23

В1.0 0 1,0 85,0 90,0 -5,0 -5,88

С0.2 -0,5 0,2 193,5 200 -6,5 -3.36

СО.5 -0,5 0,5 127,5 130 -2,5 -1,96

С1.0 -0,5 1,0 80,7 95,5 -14,8 -18,33

00.2 -1 0,2 230,1 195 35,1 15,25

БО.5 -1 0,5 129,8 140,5 -10,7 -8,24

БІ.О -1 1,0 93,4 107,5 -14,1 -15,1

Е0.2 1 0,2 142,5 136 6,5 4,56

Е0.5 1 0,5 82,5 85 2,5 -3,03

Е1.0 1 1,0 53 51 2,0 3,77

Таблиця 2

Статистики відносної похибки експериментальних та теоретичних значень величин

В табл.2 наведено статистичний аналіз придатності запропонованих ормул та розробленої методики в цілому. Обчислювали відносну похибку , % = (\УЛеогЛУеір) / }УЛ'0Г, де IV- досліджувана величина.

У п'ятому

розділі розглянуті основні типи задач, які зустрічаються в інженерній практиці

проектування залізобетонних стиснутих елементів. їх розрахунок у випадку стержнів із різними ексцентриситетами на кінцях можна проводити згідно із розробленою методикою. Але, поряд із безперечними гревагами, вона має певні недоліки, які стосуються, в основному, кількості 5числень, необхідних для одержання кінцевого результату. Тому на основі :зультатів експериментальних досліджень були запропоновані доповнення до ЇТОДИКИ діючих норм, які дозволяють проводити розрахунок міцності >зацентрово стиснутих елементів за різних умов на їх кінцях.

Величина IV Кіль- кість точок Середнє арифметичне А, % Стандартне відхилення ст, %

сг за (12) 196 -5,01 12,43

Еьза (13) 130 -0,7 3,70

у за (8) 346 -5,60 15,13

ІУза(Ю) 15 -2,20 8,26

Ці доповнення полягають в наступному. Вводиться понятті Таблиця 3 розрахункового ЄКСЦЄНТрИСІІТЄТа Єо,еаІ значення якого, зменшені в е3 раз наведені в табл.З, складеній з; результатами експериментальний досліджень. Умовну критичну силу Л^, для елементів із відношенням кінцевю ексцентриситетів 0 < к <1 обчислююті за формулою (58) СНиП 2.03.01-84* проводячи в ній заміну 4“ на = Єцсі / Л. Для елементів із -0,5 < к < С величину відносного початкового ексцентриситета в цій формулі приймаюті рівною нулю за будь-якого значення розрахункового ексцентриситета е0,саі. V цьому випадку знімають обмеження на величину відносного розрахункового ексцентриситета 8саі = е0,ы! к - $тіп- Для елементів із -1 < к < -0,5 умовн) критичну силу знаходять за формулою

Я . $са! /

Ncr= 8е 'о ЕьІь/і*, (14)

де а, = Еі / Еь. Після знаходження критичної сили обчислення міцності стиснутих елементів проводять ПО перерізу ІЗ ексцентриситетом Єо,саІ за методикою норм. Для 15 елементів середнє арифметичне значення відносної похибки Д, % = (М,ьгог - #„,,) / Мл,ог склало -0,22%, стандартне відхилення дорінювало ±5,80%. .

За двома запропонованими методиками та за методикою існуючих норм були розраховані стояки двох однопролітних рам із різним з'єднанням їх елементів між собою. Проведені розрахунки показали, що витрати арматури в її стояках тільки за рахнок внесення змін до нормативної методики можна зменшити в 1,68...2,14 рази.

ВИСНОВКИ

Дисертація присвячена дослідженню роботи позацентрово стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях. Загальні результати роботи такі:

1. Проведені випробування та виконаний аналіз їх результатів показали, що варіант завантаження стиснутих елементів за основною схемою: із рівними та однаково направленими ексцентриситетами (варіант норм), є найбільш невигідним серед можливих варіантів відношень кінцевих ексцентриситетів.

2. У випадку розрахунку стержнів із різними кінцевими ексцентриситетами за

^аченн^^ое^іпіснт^^^ом?Л^

к = е,/е2 8е = е2/Н

0,2 0,5 1,0

1 1,00 1,00 1,00

0,5 0,79 0,76 0,81

0 0,68 0,53 0,77

-0,5 0,63 0,70 1,00

-1 1,00 1,00 1,00

основною схемою, їх несуча здатність, в залежності від відношення кінцевих ексцентриситетів та їх величини, для досліджених колон занижується в 1,55...2,11 рази. Такі результати свідчать про необхідність розрахунку позацентрово стиснутих елементів із врахуванням різних умов на кінцях стержня.

3. Запропоновано методику, яка дає можливість розв'язувати основні задачі з розрахунку та конструювання позацентрово стиснутих елементів стержневих систем із різними кінцевими умовами за деформованою схемою із використанням інтегральної жорсткості всього елемента.

4. Розроблена методика експериментальних досліджень дозволила провести випробування одноконтурно!- рами та 15-ти окремих позацентрово стиснутих колон із різними ексцентриситетами на кінцях і дослідити їх напружено-деформований стан.

5. Проведені розрахунки та їх співставлення із експериментальними даними свідчать про можливість моделювання стояка стержневої системи, незалежно від характеру з'єднання його з іншими елементами, як шарнірно опертого стержня, завантаженого поздовжньою силою з ексцентриситетами на кінцях, отриманими із статичного розрахунку системи.

6. Спираючись на результати випробувань, розроблені пропозиції, які дозволяють проводити розрахунок несучої здатності стиснутих елементів із різними ексцентриситетами на кінцях на основі методики СНиП 2.03.01-84*.

7. Проведене варіантне проектування рамних конструкцій та виконане їх техніко-економічне порівняння показало, що врахування різних умов на кінцях при розрахунку позацентрово стиснутих елементів стержневих систем призводить до значного зменшення витрат арматури.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Бабич С.В. Робота одноконтурних рам при короткочасному навантаженні //

Проблеми теорії і практики будівництва : Збірник наукових статей. - Том І. Залізобетонні конструкції - Львів: Видавництво ДУ «Львівська

політехніка».- 1997. - С.34 - 39.

2. Бабич С.В. Деформации внецентренно сжатых элементов с разными эксцентриситетами на концах // Актуальні проблеми водного господарства: Збірник наукових статей. - Том 3. Нові матеріали, будівлі та споруди. - Рівне: Видавництво УДАВГ,- 1997 . - С.65 - 68.

3. Бабич С.В. Дослідження стиснутих елементів за можливих схем деформування // Проблеми теорії і практики залізобетону: Збірник наукових статей. - Полтава. - 1997. - С.ЗЗ - 36.

4. Бабич С.В. Розрахунок стиснутих залізобетонних елементів у складі

стержневих систем // Науково-практичні проблеми сучасного залізобетону: Збірник тез Першої Всеукраїнської науково-техн. конф. - Київ. - 1996. - С.28 -31.

5. Бабич С.В. Розрахунок несиметрично деформованих стиснутих залізобетонних елементів із урахуванням прогинів та змінної жорсткості перерізів // Матеріали Другої науково-технічної конф. професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів УДАВ Г.- Рівне. - 1996. - С. 10.

6. Бабич С.В. Робота стиснутих залізобетонних елементів у складі стержневих систем // Матеріали міжнар. науково-технічної конф. «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди». - 4.1.- Рівне. - 1996. - С.124.

7. Бабич С.В., Лосинская Т.И. Критическая сила гибких внецентренно сжатых железобетонных элементов с трещинами в растянутой зоне // Тезисы докладов конф. «Исследование работы и применение в строительстве эффективных элементов и конструкций». - Ровно. - 1990. - С.75-76.

8. Бабич В.1., Бабич С.В. Жорсткість перерізу залізобетонного позацентрово стиснутого елемента // Матеріали міжнар. науково-технічної конф. «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди». - 4.1. - Рівне.-1996.-С.100.

АНОТАЦІЇ

Бабич С.В. Робота та несуча здатність стиснутих залізобетонних елементів із різними ексцентриситетами на кінцях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. -Полтавський державний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 1998.

Дисертація присвячена питанням розрахунку стиснутих елементів, які входять до складу стержневих систем. Експериментально та теоретично досліджена робота одноконтурної рами та позацентрово стиснутих колон із різними ексцентриситетами на кінцях. Запропоновано методику визначення їх несучої здатності на основі висунутого критерію пошуку максимуму із урахуванням впливу прогинів за дії короткочасного навантаження. Для опису повної діаграми механічного стану бетону застосовано поліном третьої степені. Встановлено, що інтегральний модуль деформацій бетону нетріснувшої частини перерізу залежить від ексцентриситета сили та рівня деформацій. Основні результати праці знайшли впровадження при проектуванні елементів рамних конструкцій каркасних будівель та споруд, їх економічна ефективність обгрунтована теоретично і практично.

Ключові слова.: залізобетон, стиснуті елементи, різні кінцеві ексцентриситети, розрахунок за деформованою схемою, несуча здатність.

Бабич С.В. Работа и несущая способность сжатых железобетонных элементов с различными эксцентриситетами на концах. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения.-Полтавский государственный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 1998.

Диссертация посвящена вопросам расчёта сжатых элементов, которые входят в состав стержневых систем. Экспериментально-теоретически исследованы работа одноконтурной рамы и внецентренно сжатых колонн с различными эксцентриситетами на концах. Предложена методика определения их несущей способности на основе выдвинутого критерия поиска максимума с учётом влияния прогибов при действии кратковременной нагрузки. Для описания полной диаграммы механического состояния бетона использован полином третьей степени. Установлено, что интегральный модуль деформаций бетона нетреснувшей части сечения зависит от эксцентриситета силы и уровня деформаций. Основные результаты работы нашли внедрение в проектировании элементов рамных конструкций каркасных зданий и сооружений, их экономическая эффективность обоснована теоретически и практически.

Ключевые слова: железобетон, сжатые элементы, различные концевые эксцентриситеты, расчёт по деформированой схеме, несущая способность.

Babych S. W. Work and bearing strength of reinforced concrete compressed dements with various end eccentric position. - Manuscript.

Thesis for a candidate' s degree by speciality 05.23.01 - building structures, buildings and constructions. - Poltava State Technical University named by Yuri Kondratyuk, Poltava, 1998.

The dissertation is devoted to analysis and design technique of compressed elements as a part of bar systems. The work of the rectangular frame and the axial compressed columns with various end eccentric position have been investigated experimentally and theoretically. The design technique for determination of their bearing strength which based on optimality maximum criterion with taking into account deflections of instantaneous load are proposed. The full deformation diagram of mechanic stress-stained state of concrete is described by third degree polynomial. There is established that an integral modulus of concrete non-cracred part of section deformation depends of the external force ее». :ntricity and the load level. The results of the work have found an utility in the design of the elements of framed structures and constructions, the effectiveness of them is stated theoretical and practical.

Key words: reinforced concrete, compressed elements, various end eccentric position, design according to deformed scheme, bearing strength.