автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование расчёта прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов

На правах рукописи

Мордовский Сергей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЁТА ПРОЧНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Казань 2013

005540948

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре строительных конструкций

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Мурашкин Геннадий Васильевич

Клюева Наталия Витальевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет», заведующий кафедрой промышленного и гражданского строительства

Ерышев Валерий Алексеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тольятгинский государственный университет», профессор кафедры «Городское строительство и хозяйство»

Научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический институт бетона и железобетона им. A.A. Гвоздева (НИИЖБ им. А.А.Гвоздева) - ОАО «НИЦ «Строительство»

Защита состоится «24» декабря 2013 года в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурно-строительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, КазГАСУ, ауд. 3-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 20 ( Ьгода

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.А.Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одним из направлений, позволяющих обеспечить доступным жильём семьи, является освоение высотного жилищного строительства. В крупных городах отчетливо прослеживается тенденция уплотнения застроек и роста этажности зданий. В первую очередь это связано с дефицитом земельных участков и высокой ценой на них. Повышение этажности позволяет снизить относительную стоимость единицы площади в таком здании.

С повышением этажности зданий значительно возрастают и нагрузки на несущие конструкции. Железобетонные конструкции являются базой современного индустриального строительства. Из железобетона возводят промышленные одноэтажные и многоэтажные здания, гражданские здания различного назначения, в том числе и жилые дома.

Железобетонные колонны - основные несущие элементы каркасных зданий применяются как в промышленном, так и в гражданском строительстве. В жилищном строительстве при возведении каркасных зданий чаще всего применяются монолитные железобетонные колонны, в промышленном строительстве - сборные.

В связи с возрастанием нагрузок при увеличении числа этажей гражданских зданий используют повышение процента армирования железобетонных колонн.

На сегодняшний день имеет место тенденция совершенствования теории железобетона путём внедрения нелинейной деформационной модели расчёта, предусматривающей использование диаграмм деформирования бетона и арматуры. Такая модель всесторонне исследуется и внедряется в различные международные и национальные нормы проектирования железобетонных конструкций. В СП 52-1012003 и актуализированной редакции СНиП 52-01-2003 - СП 63.13330.2012 для расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов рекомендуется использовать 2-х или 3-х линейную диаграмму деформирования. Однако, реализация такого расчёта на практике вызывает затруднения, особенно тогда, когда используется повышенный процент армирования. В этом случае в предельном состоянии конструкции напряжения в арматуре могут не достигать предела текучести. Поэтому в диссертационной работе предложен алгоритм, позволяющий определять не только прочность конструкции, но и напряженно-деформированное состояние при любом варианте загружения и армирования.

В литературных источниках достаточно экспериментальных данных, которые позволяют проанализировать применимость предложенного алгоритма на образцах с процентом армирования внецентренно сжатых конструкций максимально до 2,5-КЗ%. Экспериментальных данных по определению прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов с повышенным содержанием арматуры (свыше 3%) недостаточно. В связи с этим было принято решение осуществить проверку целесообразности применения предложенного алгоритма и разработанной на его основе методики расчёта на образцах не только с процентом армирования до 3,0%, но и с более высоким содержанием арматуры, что сейчас применимо для зданий с повышенной этажностью.

Актуальность исследований прочности и напряжённо-деформированного состояния сжатых железобетонных элементов и совершенствование их расчётов определяется областью применения - по данным Аксёнова В.Н. доля их в общем объёме конструкций составляет почти 1/4. Уточнение расчётов позволяет обеспечить конструктивную безопасность, эксплуатационную пригодность и снижение материалоёмкости.

В диссертационной работе рассмотрено применение диаграмм деформирования, рекомендованных нормами Российской Федерации, Еврокодом, Лазаревым Д.Н., академиком Карпенко Н.И., работами ученых Казанского ГАСУ и др., а также предложенной в СГАСУ кривой деформирования бетона при сжатии в условиях кратковременного загружения.

Метод анализа напряжённо-деформированного состояния поперечного сечения элементов с применением деформационной модели включен в Еврокоды, строительные нормы и своды правил России, Беларуси и других стран. Таким образом, нелинейные деформационные модели постепенно вытесняют привычные ранее методы расчёта по предельным усилиям, что стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и технологии.

В настоящее время неизученным остаётся вопрос о возможности непосредственного применения диаграмм одноосного сжатия (растяжения) бетона для расчётов конструкций, находящихся в сложнонапряжённом состоянии.

Одна группа исследователей считает, что работу внецентренно сжатых образцов нельзя численно оценить, используя диаграмму бетона при осевом сжатии (X. Раш, X. Рюш, С. Стокл, Г.М. Стурман, С.П. Шах и Г. Винтер), другая -отмечает практическую неизменность напряжений в вершине диаграммы с увеличением лишь предельной сжимаемости с ростом градиента деформации (Л.Е. Кларк, К.Г. Герлстль и Л.Г. Тулин). В.П. Чайка установил, что максимальные напряжения в бетоне при внецентренном сжатии могут повышаться на 10...15%.

Исследователи, придерживающиеся мнения о различии диаграмм одноосного сжатия и сложнонапряжённого состояния количественно и качественно, указывают на необходимость трансформации диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии перед непосредственным использованием в расчётах. Определение коэффициентов трансформации эталонных диаграмм рассматривалось В.В. Адищевым, Э.В. Березиной, Н.В. Ершовой, Ю.А. Крусь.

Целью диссертационной работы является совершенствование расчёта прочности и определения напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых железобетонных элементов.

Для достижения поставленной цели были запланированы задачи:

1. Рассмотреть используемые для практических расчётов варианты закона деформирования бетона и арматуры;

2. Разработать основанную на деформационной модели методику, которая является развитием теории профессора Мурашкина Г.В., и позволяет определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;

3. Представить разработанный алгоритм методики расчёта в виде программы в среде \fathCad;

4. Выполнить экспериментальные исследования с железобетонными образцами, различающимися прочностью бетона и арматуры, процентом армирования и эксцентриситетом приложения нагрузки;

5. Сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов в САПР Лира 9.6;

6. Сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов по предложенной автором методике;

7. Сопоставить результаты расчёта по предложенной методике с результатами экспериментальных исследований других авторов.

Объект исследования — внецентренно сжатые элементы в виде коротких железобетонных колонн прямоугольного сечения.

Предмет исследования - напряжённо-деформированное состояние внецентренно сжатых железобетонных элементов и методика расчёта их прочности.

Научная новизна исследований:

□ разработана методика расчёта, основанная на деформационной модели, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющая определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;

□ получены экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (!(/И=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [е</й=(0,17-4,5)];

□ разработана программа расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодная для практического использования в проектной практике. Программа «Расчёт прочности и определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) внецентренно сжатых железобетонных элементов» внесена в Реестр программ для ЭВМ (регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

Выполненные исследования способствуют более глубокому изучению работы железобетонных конструкций, подверженных внецентренному нагружению.

Разработанная программа расчёта может быть рекомендована инженерам для выполнения работ по проектированию зданий и сооружений, а также выполнения оценки состояния внецентренно сжатых железобетонных конструкции в условиях эксплуатации. Расчёты по предложенной методике позволяют получать значения поправочных коэффициентов к расчётным сопротивлениям арматуры Б и 8', что делает возможным применение формул метода предельных усилий для инженерных расчётов без снижения точности полученного результата.

Результаты исследований приняты ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр» для оценки состояния консольного покрытия на реконструируемом стадионе

«Строитель» в г.о. Тольятти; включены в учебные программы повышения квалификации в области проектирования и строительства НОУ ППДПО «Институт повышения квалификации специалистов строительной отрасли»; включены в рабочую программу по подготовке инженеров по специальности 270105.65 -«Городское строительство и хозяйство» по курсу «Железобетонные конструкции» в Открытом институте (филиале) ФГБОУ ВПО СГАСУ в г. Похвистнево; использованы ООО «ВолгаРегионПроект» при проектировании железобетонных колонн.

Достоверность проведённых исследований подтверждается использованием классических методов строительной механики, использованием сертифицированных расчетно-вычислительных комплексов, поверенного измерительного оборудования. Измерения, проводимые при натурных испытаниях, имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования показаний, что позволяет контролировать достоверность полученных в эксперименте результатов.

Достоверность работы подтверждается также значительным объёмом обработанных данных собственных и сторонних экспериментальных исследований, в т.ч. зарубежных, и получением достаточной сходимости экспериментальных данных с теоретическими. Автор защищает:

□ методику расчёта, основанную на деформационной модели, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющую определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;

□ экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (l(/h=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [е<//г=(0,17+1,5)];

□ программу расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодную для практического использования в проектной практике (внесена в Реестр программ для ЭВМ -регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).

Апробация результатов исследования. Основные положения проведённых исследований по теме диссертации докладывались автором на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика» СГАСУ (Самара, 2007-2012гг.), II Всероссийской научно-практической конференции "Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья" ТГУ {Тольятти, 2009г.), VIII, IX, XI Международных научно-технических конференциях "Эффективные строительные конструкции: теория и практика", Международной научно-технической конференции "Исследования и инновации в строительстве" ПГУАС {Пенза, 2008, 2009, 2011, 2012гг.) и международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплекса" БГИТА {Брянск, 2008г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ в сборниках статей и материалах конференций, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, и 5 статей в сборниках международных конференций.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и трёх приложений. Общий объём диссертации составляет 214 страниц и включает в себя 20 таблиц и 118 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведена общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе выполнен обзор научных исследований по вопросам:

□ Принципы расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов по действующим нормативным документам (России, Европы, и др.);

□ Диаграммы деформирования бетона при осевом и неоднородном сжатии;

□ Диаграммы деформирования арматуры при растяжении и сжатии;

□ Недостатки действующих нормативных документов и пути их преодоления.

Зависимости для описания диаграммы деформирования бетона были исследованы в научных трудах В.Н. Байкова, А.Н. Бамбуры, В .Я. Бачинского, В.М. Бондаренко, Ю.А. Гагарина, C.B. Горбатова, В.Н. Гусакова, В.В. Дегтерева, З.А. Димитрова, Л.С. Дудоладова, М.П. Емельянова, В.А. Ерышева, Е.И. Иващенко, Н.И. Карпенко, В.И. Колчунова, P.O. Красновского, И.С. Кроль, Д.Р. Крусь, Ю.А. Крусь, Д.Н. Лазарева, Д.Р. Маиляна, В.М. Матисова, В.В. Михайлова, Г.В. Мурашкина, Т.А. Мухамедиева, А.Н. Петрова, H.H. Попова, О.В. Радайкина, М. Саржина, В.А. Сафронова, Б.С. Соколова, С.А. Тихомирова, С.Ю. Цейтлина и др.

В работах большинства авторов предлагались или совершенствовались ранее предложенные феноменологические зависимости в виде полиномов, степенных, дробных и других функций.

В настоящее время имеется много рекомендаций по аналитическому описанию диаграммы «crs-£s» арматуры. Известны предложения В.Н. Байкова, П.Н. Ганаги, Ю.П. Гущи, Л.С. Дудоладова, Е.И. Иващенко, С.А. Мадатяна, Р.Л. Маиляна, Б.А. Мекерова, В.Н. Митасова, И.Н. Тихонова и др.

В данной главе также рассмотрены диаграммы деформирования бетона и арматуры, рекомендуемые отечественными и зарубежными нормами при проектировании бетонных и железобетонных конструкций.

Диаграммы деформирования бетона, наиболее точно отражающие связь между напряжениями и деформациями, описываются зависимостями, предложенными ЕКБ-ФИП, Карпенко Н.И., Мурашкиным Г.В.. Сопоставление данных зависимостей, а также двух- и трёхлинейные диаграммы деформирования, рекомендуемые российскими нормами СП 63.13330.2012 и более ранним СП 52101-2003 в качестве "рабочих" представлено на рисунке 1.

1ст>гпш1.сь относительные деформации

Рисунок 1 — Кривые деформирования бетона

Теоретической основой для дальнейших исследований принята диаграмма деформирования в виде экспоненциальной зависимости (1), которая представляет собой непрерывную функцию и является простой и удобной для использования в расчётных алгоритмах.

Во второй главе представлены предложения по расчёту внецентренно сжатых железобетонных элементов с применением диаграмм деформирования бетона и современных ПК.

При разработке алгоритмов расчёта приняты следующие предпосылки:

□ закон распределения деформаций по высоте сечения элемента считается линейным, известный как гипотеза плоских сечений, принимаемый в сопромате для сплошных элементов;

□ связь между напряжениями и относительными деформациями бетона и арматуры описывается принятыми в расчёте диаграммами деформирования;

□ работа растянутого бетона не учитывается.

Для описания закона деформирования бетона принята экспоненциальная зависимость, предложенная профессором Мурашкиным Г.В.:

&ь(£ь) = ас-£ьс "ехР

(1)

Закон деформирования для применяемого бетона задаётся значениями коэффициентов ас и Ъс, которые в отличие от исследований изгибаемых элементов рекомендуется определять решением системы не двух, а трёх уравнений (2а, 26, 2в), включая уравнение для определения начального модуля упругости бетона при напряжениях в 10% от Яь (2в):

кь =ас-р с -ехр

Г и

(2а)

0.1-А-*

■г

ґ 'О.!-* ^ „ -У

•ехр

-К

V

У

(26)

«с "¿с '

0-1

v Еь

льс-1

•г

■ехр

-6,

0.1-А.

■Г

0.1-Я*

-г

(2в)

где - расчетное сопротивление бетона осевому сжатию; Еь - начальный модуль упругости бетона при напряжениях, составляющих 10% от Rb; р - величина относительной деформации, соответствующая напряжению, равному Rb, у -коэффициент, входящий в состав постоянных коэффициентов ас и Ъс, позволяющий определить изгиб диаграммы деформирования при прохождении через точку 0.1 •Rb (не участвует в задании закона деформирования).

Полученные значения коэффициентов ас и Ъс определяют диаграмму деформирования бетона заданной прочности.

Высокая надёжность использования зависимости (1) для расчёта изгибаемых элементов по I группе предельных состояний доказана диссертационными исследованиями Козлова A.B., в том числе с повреждённой сжатой зоной -Пищулёва A.A.; по II группе предельных состояний - Панфилова Д.А., а также многочисленными научными статьями, в том числе в ведущих отечественных и зарубежных изданиях.

Для описания закона деформирования арматуры применена диаграмма Прандтля (рисунок 2).

а А

с5=0,002 'с,

Рисунок 2 — Диаграмма деформирования арматуры

За расчётную модель принят внецентренно сжатый железобетонный элемент прямоугольного сечения щириной Ъ и высотой к с армированием по углам, (рисунок 3).

м

N

сечение колонны

Поперечное Схема распределения Схема

относительных внутренних деформаций усилий

а) частично сжатое сечение

Ъ

¿ь

Действующие нагрузки

Поперечное сечение колонны

Схема распределения Схема относительных внутренних деформаций усилий

б) полностью сжатое сечение

Действующие нагрузки

Рисунок 3 - Схемы расчётных моделей внецентренно сжатого железобетонного элемента

При расчёте нормальных сечений на внецентренное сжатие используют систему двух уравнений равновесия статики:

1^ = 0, (3)

1> = 0. (4)

Уравнение (3) согласно схеме на рисунке 3 примет вид:

Н = (5)

где - равнодействующая усилий в сжатой зоне бетона, определяемая согласно закону деформирования по формуле (6);

N

А

Ьс!х;

(6)

о V у

где к — расстояние от нейтральной оси до крайнего сжатого волокна бетона;

х — текущая координатная ось для сжатой зоны бетона с началом отсчёта на нейтральной оси.

И5 и Л^. — равнодействующие усилий продольной арматуры Б и Б1 соответственно. Напряжения в арматуре определяются в соответствии с принятым законом.

Величины относительных деформаций арматуры ££ и определяются исходя из пропорциональности с (величина относительной деформации крайнего сжатого волокна бетона):

к к (7)

Составив уравнение равновесия (4) относительно нейтральной оси, получим: N ■2\-Вь-22-м\-2Ъ-Ы5-24=0 ^ (8)

где 2\ — плечо внецентренно приложенного внешнего усилия N относительно нейтральной оси;

22 - плечо усилия Юь относительно нейтральной оси;

2Ъ - плечо усилия относительно нейтральной оси;

24 - плечо усилия относительно нейтральной оси.

к

|о"ь (— -х)-Ь- хсЬс

21 = к-- + е0; г2 = ±-к---; 2Ъ = к-аи, 24 = И0-к

2 \*ь&г-х).Мх (9)

о к

где ео — расстояние от оси симметрии образца до линии действия внешнего продольного усилия N.

Заменив в уравнении (8) величину N выражением (5) и подставив значения (9) получим уравнение (10), в котором имеется один неизвестный параметр к.

(к > [стД— •х)-Ь-хс1х

¡аь(£±-х)-Ьск

- N<3 • (к - а1)-№ • (И0 - к ) = 0 (10)

к

Ч « У

Подставив в данное уравнение (10) вместо каждого усилия аналитическое выражение, соответствующее физической работе материала, получим уравнение, содержащее одно неизвестное — величину к, которая в случае больших эксцентриситетов является высотой сжатой зоны сечения. Исходя из того, что величина к не постоянная, а изменяющаяся по определённому закону, в связи с изменением в процессе деформирования железобетонного элемента усилий в бетоне и арматуре, определяем этот закон средствами программы МшИСа^М.

На основе нелинейной деформационной модели разработана методика, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющая определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и процентами армирования. Приведены алгоритмы расчёта с применением нелинейных диаграмм деформирования бетона, в том числе двух- и трёхлинейной, рекомендуемых российскими в качестве "рабочих"; по методу предельных усилий, реализованные в программном комплексе МаЛСас^-14.

В третьей главе представлена методика проведения экспериментальных исследований. Их основной целью является получение экспериментальных данных о прочности и напряжённо-деформируемом состоянии колонн.

Оборудование, применяемое при проведении экспериментальных работ: гидравлический пресс ПР-500, разрывная машина Р-100, машина для испытаний ИП 6012-1000-1, машина для испытаний П-250, калибровочный комплекс, система сбора данных иСАМ-60В фирмы КУО\¥А.

Для проведения эксперимента было изготовлено 4 серии образцов, каждая из которых содержала по два образца-близнеца. Геометрические размеры образцов приняты исходя из минимизации влияния гибкости на несущую способность. Размеры поперечного сечения колонн приняты равными '/г от реальных и составляют 200x200мм.

На основании анализа экспериментов сторонних авторов значения относительного эксцентриситета приложения внешнего усилия приняты равными е01И=(0,17^1,5), процент армирования - в интервале (2,5^4)%. Поперечное армирование всех образцов выполнено из стержней 08мм класса А -240, установленных с шагом 160мм по высоте колонны.

Для обеспечения возможности приложения нагрузки за пределами сечения образца была сконструирована съёмная консольная конструкция (рисунок 4(а) и (б)). Соединение её с экспериментальным образцом осуществлялось посредством болтового соединения, для чего в верхней и нижней части колонны при изготовлении каркаса были установлены стальные втулки. Они закреплялись сварными швами в стальной «П-образной» конструкции, которая вместе со стальными втулками являлась элементом усиления оголовков колонн и предотвращала их разрушение в процессе проведения эксперимента.

Для изучения НДС элемента применены тензометрические датчики омического сопротивления с базой 50 и 20мм и сопротивлением 400 и 200 Ом соответственно.

1 серий

2 серия

3 и 4 серия

Рисунок 4 — Геометрия экспериментальных

образцов: а) подготовленный к испытанию образец К-1; б) ЗО-модель стального каркаса экспериментального образца

вместе со съёмной консольной конструкцией; в) поперечные сечения образцов различных серий

В четвертой главе представлена обработка результатов экспериментальных исследований, к которым относятся не только непосредственные испытания экспериментальных образцов общим количеством 8 штук, но и определение прочностных и деформативных характеристик применяемых материалов, а также калибровка тензометрических датчиков.

Глава 4 раскрывает содержание следующих вопросов:

□ Прочностные и деформативные характеристики применяемых материалов;

□ Результаты калибровки тензодатчиков;

□ Несущая способность образцов;

□ Графики зависимости «/V - еь», построенные по экспериментальным и теоретическим данным;

□ Распределение относительных деформаций и сжимающих напряжений в бетоне по высоте нормального сечения образцов;

□ Динамика развития относительных деформаций в процессе нагружения;

□ Характер разрушения экспериментальных образцов;

□ Численный эксперимент в САПР Лира;

□ Выводы по главе.

Для определения погрешности показаний применяемых тензометрических датчиков проведена их калибровка. Суть данного процесса заключалась в ступенчатом нагружении стальной пластины калибровочного комплекса с фиксацией прогибов и соответствующих им относительных деформаций в фазе нагружения и разгрузки системой сбора данных иСАМ-60В. Вертикальные перемещения в виде прогибов балки фиксировались индикатором часового типа с ценой деления 0,01мм.

По результатам проведённого регрессионного анализа значения коэффициента калибровки Кк:

□ для показаний датчиков с базой 20мм сопротивлением 200 Ом - 1,168;

□ для показаний датчиков с базой 50мм сопротивлением 400 Ом - 1,19. Геометрические размеры испытанных колонн, значения эксцентриситетов

приложения внешнего усилия, прочностные характеристики применяемых материалов, а также максимальные значения разрушающих нагрузок, зафиксированные во время эксперимента, представлены в таблице 1.

По экспериментальным и теоретическим данным построены графики зависимости «К - еь» для каждого из 8 опытных образцов. На рисунке 5 данные графики представлены для экспериментального образца К-1.

Таблица 1 - Исходные данные и результаты испытаний опытных образцов

Шифр 1, К Ъ, йо, ео, Ль, А„ А\, я« ■К» А^пах»

колонн см см см см см см МПа см2 см2 МПа МПа ш

К-1 100 20 20 17 3,0 20 23,45 6,123 2,347 391,87 562,41 230,46

К-1(2) 100 20 20 17 3,0 20 23,63 6,123 2,347 391,87 562,41 232,42

К-2 100 20,1 20,1 16,8 3,0 30 29,03 7,646 2,353 549,27 437,67 207,9

К-2(2) 100 20,2 20,5 16,9 3,0 30,1 29,03 7,646 2,353 549,27 437,67 213,79

к-з 100 20,5 20,4 16,8 3,0 3,5 32,66 9,788 2,353 510,73 437,67 1127,76

Шифр колонн и см И, см ь, см К, см а\ см «о, см «6, МПа А„ см2 Л1 л я см2 Л» МПа Кэс, МПа Nтах» кН

К-3(2) 100 20,5 20,5 16,8 3,0 3,5 32,66 9,788 2,353 510,73 437,67 1103,25

К-4 100 20 20 16,0 3,0 10 38,55 9,788 2,308 510,73 437,57 573,69

К-4(2) 100 20,3 20 16,4 3,0 10,1 38,55 9,788 2,308 510,73 437,57 593,3

Рисунок 5 - Графики зависимости «К - гь» колонны К-1

Динамика развития относительных деформаций бетона и арматуры в процессе нагружения определена в местах наклейки тензометрических датчиков омического сопротивления. Практические результаты в виде графиков показывают хорошую сходимость с кривыми, построенными по результатам вычислений.

По показаниям датчиков построены графики распределения относительных деформаций по высоте сечения образцов (рисунок 6). Ось ординат является высотой сечения элемента в миллиметрах, а ось абсцисс показывает относительные деформации бетона в месте наклейки датчика.

О 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005

относительные деформации сжатого бетона гЬ

Рисунок 6 - Распределение деформаций по высоте сечения колонны К-4(2) на различных стадиях загружения

На основании расчётных и экспериментальных данных о распределении деформаций по высоте сечений элементов, используя закон деформирования в виде экспоненциальной зависимости (1), определялись напряжения в бетоне сжатой зоны сечения. Таким образом, возможно отслеживание процесса изменения сжимающих напряжений в бетоне на различных стадиях загружения (рисунок 7). Точки на данных графиках обозначают напряжения в местах наклейки тензометрических датчиков.

Рисунок 7 — Распределение сжимающих напряжений в бетоне по высоте сечения колонны К-4(2) на различных стадиях загружения

Состояние колонн каждой серии после испытаний проиллюстрировано в виде фото (рисунок 8), на которых наглядно указаны характерные признаки разрушения.

Рисунок 8 — Характерные признаки разрушения для образцов 2-ой серии

Моделирование экспериментальных образцов К-1, К-2, К-3 и К-4, используя фактические геометрические характеристики, прочностные показатели материалов, и др. параметры было выполнено в САПР Лира 9.6. Расчёты проводились с учётом физической нелинейности. Значения отклонений расчётных прочностей от экспериментальных для образцов К-1-ьК-4, лежат в интервале [-10 -4* +10]%.

В пятой главе выполнен анализ теоретических и экспериментальных результатов. Теоретические значения прочностей собственных экспериментальных образцов просчитывались по нескольким вариантам с применением различных диаграмм деформирования бетона и арматуры. Наиболее оптимальным оказалось применение диаграммы деформирования бетона в виде экспоненциальной зависимости, предложенной Мурашкиным Г.В. (1). При этом получено значение среднего отклонения составило 3,5% по восьми экспериментальным образцам.

Закон деформирования бетона в виде экспоненциальной зависимости (1) для изгибаемых элементов, при использовании в расчётах внецентренно сжатых железобетонных конструкций должен быть уточнён с учётом положения параметрических точек диаграммы. Значения этих точек рекомендуется определять следующим образом: начальный модуль упругости бетона на уровне 10% от Яь - по формуле Карпенко Н.И.; предельную сжимаемость бетона - по рекомендациям ЕигоСос1е-2; краевые деформации бетона - по предложению Ильина О.Ф..

Выполнены расчёты с применением трансформированной диаграммы деформирования бетона. Трансформация осуществлялась по рекомендациям Адищева В.В.. Результаты показали превышение теоретических значений прочности над экспериментальными до 32%. Значение среднего отклонения при этом равно -17,4%.

Расчёты по разработанной на основе методики главы 2 программе позволяет оценивать НДС элемента на любой стадии загружения по высоте нормального сечения (рисунок 9).

распределение сигмаЬ по высоте сечения

( К-Л ( Г к<гй>1

"к-V к| к- "Ьхри V - -

сжимающие напряжения

Рисунок 9 - Распределение сжимающих напряжений в бетоне по высоте нормального сечения образца К-2(2) на стадии загружения в 18 тонн

Железобетонные колонны прямоугольного сечения отечественных и зарубежных исследователей, испытанные на одноосное внецентренное сжатие, были просчитаны в программе, реализованной по разработанному алгоритму расчёта прочности, применяя экспоненциальную зависимость, 2х- и Зх линейные диаграммы деформирования бетона.

Установлено, что применение в разработанной программе расчёта диаграмм состояния бетона в виде экспоненциальной, двух- и трёхлинейной зависимости показывает близкие значения прочностей по всем образцам. Применение экспоненциальной зависимости даёт незначительное уточнение прочности относительно трёхлинейной диаграммы деформирования ^ЬУ£)наа= л & относительно двухлинейной - 1,6%;

Приложение А содержит таблицы с результатами показаний тензодатчиков, полученных системой сбора данных иСАМ-60В в процессе проведения испытаний.

В приложении Б содержатся исходные данные для запуска алгоритма расчёта восьми экспериментальных образцов К-1 — К-4(2).

Приложение В содержит таблицы с результатами расчёта экспериментальных образцов по предложенной методике.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Анализируя различные варианты аналитического описания законов деформирования бетона, за основу была принята диаграмма деформирования, предложенная в СГАСУ;

2. Разработана основанная на деформационной модели методика, которая является развитием теории профессора Мурашкина Г.В., и позволяет определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;

3. В среде МшЬСас1-14 разработана программа расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодная для практического использования в проектной практике. Программа «Расчёт прочности и определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) ВЕЮцентренно сжатых железобетонных элементов» внесена в Реестр программ для ЭВМ (регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013);

4. Получены экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (1(/И=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при различных значениях эксцентриситета внешнего усилия [е,//г=(0,17-И,5)];

5. Моделирование экспериментальных образцов в САПР Лира 9.6 показало идентичность характера напряжённо-деформированного состояния с проведённым натурным экспериментом. Значения отклонений прочности экспериментальных образцов К-1-^К-4, рассчитанных в САПР Лира 9.6, от опытных значений лежат в интервале [-10 + +10]%;

6. Сопоставление результатов экспериментальных исследований с расчётом

прочности по разработанной на основе алгоритма программе показало их удовлетворительную сходимость при среднем отклонении 3,5%;

7. Сопоставление результатов экспериментальных данных 5 групп исследователей с результатами расчёта по предложенной автором методике показало хорошую сходимость (1,1%);

8. Наибольшие отклонения значений прочности от опытных в собственном эксперименте имеют образцы, испытанные с минимальным в рамках эксперимента значением эксцентриситета приложения внешнего усилия (е<//г=0,17). Анализируя образцы сторонних авторов, приходим к выводу, что достаточно большое расхождение наблюдается при значениях относительного эксцентриситета eo/h=0,25 на образцах Лазарева Д.Н., eo/h=0,14 из данных Чистякова Е.А.. Поэтому для изучения работы конструкций в диапазоне в(/к={0,14-Ю,25) может потребоваться проведение дополнительных исследований.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

- В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Мордовский, С.С. Расчёт внецентренно сжатых железобетонных элементов с применением диаграмм деформирования [Текст] / С.С. Мордовский // Бетон и железобетон. -2012. -№2. -С.11-15.

2. Мордовский, С.С. Напряжённое состояние экспериментальных образцов при внецентренном нагружении / С.С. Мордовский, В.Г. Мурашкин // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4; URL: http://www.science-education.ru/104-6794 (дата обращения: 30.07.2012).

3. Мордовский, С.С. Экспоненциальная зависимость для бетона в расчётах прочности внецентренно нагруженных железобетонных колонн // Современные проблемы науки и образования. -2013. -№1; URL: www.science-education.ru/107-8552 (дата обращения: 09.03.2013).

4. Мурашкин, Г.В. Применение диаграмм деформирования для расчёта несущей способности внецентренно сжатых железобетонных элементов [Текст] / Г.В. Мурашкин, С.С. Мордовский // Жилищное строительство / Москва, 2013. - №3. - С.38-40.

- В сборниках материалов международных конференций:

5. Мордовский, С.С. Право на существование расчетов железобетонных конструкций с использованием диаграмм состояния материалов [Текст] / С.С. Мордовский // "Эффективные строительные конструкции: теория и практика": сборник статей VIII Международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2008. - С. 56-58.

6. Мордовский, С.С. Применение в расчетах железобетонных конструкций диаграмм деформирования материалов [Текст] / С.С. Мордовский // "Проблемы строительного и дорожного комплекса": сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. - Брянск: БГИТА, 2008. - Выпуск 5. - С. 39-42.

7. Мордовский, С.С. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов с большими эксцентриситетами [Текст] / С.С. Мордовский // "Эффективные строительные конструкции: теория и практика": сборник статей IX Международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2009. - С.31-34.

8. Мордовский, С.С. Экспериментальное подтверждение теоретических предложений по расчёту нормальных сечений внецентренно сжатых железобетонных элементов с использованием диаграмм деформирования материалов [Текст] / С.С. Мордовский // "Эффективные строительные конструкции: теория и практика": сборник статей XI Международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2011. - С.92-94.

9. Мордовский, С.С. Определение оптимального положения

параметрических точек нелинейной диаграммы деформирования бетона [Текст] / С.С. Мордовский // "Исследования и инновации в строительстве": сборник статей Международной научно-технической конференции. — Пенза: ПГУАС, 2012. — С.60-63.

- В сборниках материалов всероссийских конференций и научных трудов:

Ю.Мордовский, С.С. Обзор состояния вопроса об описании диаграммы деформирования бетона [Текст] / С.С. Мордовский // "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика": материалы 65-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2007 г. - Самара: СГАСУ, 2008. - С. 447-448.

11.Мордовский, С.С. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов с применением диаграмм деформирования [Текст] / С.С. Мордовский, Г.В. Мурашкин, A.B. Козлов // "Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика": материалы 65-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР университета за 2007 г. - Самара: СГАСУ, 2008. - С.437.

12.Мордовский, С.С. Теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых элементов [Текст] / С.С. Мордовский, Г.В. Мурашкин // "Градостроительство, реконструкция и инженерное обеспечение устойчивого развития городов Поволжья": сборник трудов II Всероссийской научно-практической конференции. - Тольятти: ТГУ, 2009. - С.84-90.

13.Мордовский, С.С. Сопоставление расчета внецентренно сжатой железобетонной колонны по СНиП и с применением диаграмм деформирования [Текст] / С.С. Мордовский // "Традиции и инновации в строительстве и архитектуре": материалы 67-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2009 года. - Самара: СГАСУ, 2010. — С.692-694.

14. Мордовский, С.С. Сопоставление теоретических данных с практически полученными результатами [Текст] / С.С. Мордовский // "Традиции и инновации в строительстве и архитектуре": материалы 68-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2010 года. - Самара: СГАСУ, 2011. - С.855-858.

15. Мордовский, С.С. Испытания коротких внецентренно нагруженных колонн и их результаты [Текст] / С.С. Мордовский // "Традиции и инновации в строительстве и архитектуре": материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции по итогам НИР 2011 года. -Самара: СГАСУ, 2012. - Часть II. - С.333-335.

16.Мурашкин, Г.В. Практическое применение методики расчета внецентренно сжатой железобетонной колонны с учетом нелинейного деформирования [Текст] / Г.В. Мурашкин, С.М. Анпилов, С.С. Мордовский // Вестник Волжского регионального отделения / Нижний Новгород, 2009.-Выпуск 12.-С. 193-198.

17.Мордовский, С.С. Учет нелинейной работы бетона при расчете внецентренно сжатых железобетонных элементов [Текст] / С.С. Мордовский // Строительный вестник российской инженерной академии: труды секции «Строительство» Российской инженерной академии / Издательство Российской инженерной академии. — Москва, 2009. — Выпуск 10. — С.256-259.

18. Мордовский, С.С. Уточнение расчетов как способ повышения безопасности зданий и сооружений [Текст] / С.С. Мордовский // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура / Самара, 2013. - Выпуск № 3. - С.26-28.

Подписано в печать 20.11.2013г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Печать оперативная. Объём 1,0 усл. печ. л. Тираж 120 экз. Заказ №2803 от 21.11.2013 г.

Отпечатано в типографии ОАО «Информационно-издательский центр». 446450, Самарская область, г.о. Похвистнево, ул. Гагарина, 7, тел.: 8(846-56) 2-22-83, 2-21-71. E-mail: iic-zakaz@mail.ru

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201451535 Мордовский Сергей Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЁТА ПРОЧНОСТИ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор, чл.-корр. РААСН Мурашкин Геннадий Васильевич

Самара 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение................................................................................................................. 5

1 ПРИМЕНЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН В СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО МЕТОДАМ РАСЧЁТА СТЕРЖНЕВЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗКИ...................................................................................................... 12

1.1 Применение железобетонных колонн в строительстве.................. 12

1.2 Принципы расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов по действующим нормативным документам (России, Европе и др.)............................................................................................ 16

1.3 Зависимости «напряжения - деформации» бетона при осевом и неоднородном сжатии............................................................................ 18

1.4 Выбор закона деформирования бетона для дальнейших исследований........................................................................................... 36

1.5 Зависимости «напряжения - деформации» арматуры при растяжении и сжатии............................................................................. 38

1.6 Недостатки действующих нормативных документов......................... 45

1.7 Выводы по первой главе. Цель и задач исследования........................ 48

2 ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЁТУ ВНЕЦЕНТРЕННО СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИАГРАММ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БЕТОНА И СОВРЕМЕННЫХ ПК 49

2.1 Разработка алгоритма расчёта НДС и предела прочности конструкции в среде МаШСаё............................................................... 49

2.2 Исходные данные для запуска алгоритма расчёта............................... 66

2.3 Данные, выводимые программой по завершению вычислений по разработанной методике расчёта.......................................................... 67

2.4 Выводы по главе................................................................ 68

3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................... 70

3.1 Оборудование и контрольно-измерительные приборы для проведения экспериментальных работ.................................................. 70

3.2 Схема загружения образцов................................................................... 78

3.3 Конструкция экспериментальных образцов......................................... 80

3.4 Особенности изготовления образцов..................................................... 85

3.5 Материалы, применяемые для формирования бетонной смеси......................................................................................................... 91

3.6 Проведение испытаний опытных образцов.......................................... 93

3.7 Выводы по главе..................................................................................... 93

4 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................................................................... 94

4.1 Прочностные и деформативные характеристики применяемых материалов............................................................................................... 94

4.2 Результаты калибровки тензодатчиков................................................. 99

4.3 Несущая способность образцов............................................................. 103

4.4 Графики зависимости «И - Бь», построенные по экспериментальным и теоретическим данным..................................... 105

4.5 Распределение относительных деформаций и сжимающих напряжений в бетоне по высоте нормального сечения образцов.................................................................................................... 108

4.6 Развитие относительных деформаций в процессе нагружения............................................................................................... 117

4.7 Характер разрушения экспериментальных образцов.......................... 125

4.8 Численный эксперимент в САПР Лира................................................. 129

4.9 Выводы по главе...................................................................................... 133

5 АНАЛИЗ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................................................... 134

5.1 Сопоставление данных теоретических и собственных

экспериментальных исследований..................................................................................................................134

5.2 Анализ экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов................................................................................................................................................................147

5.3 Выводы по главе............................................................................................................................................................................154

Основные выводы по диссертации..............................................................................................................................156

Список использованных источников..........................................................................................................................158

Приложение А Результаты показаний тензодатчиков, полученных

системой сбора данных иСАМ-60В..............................................................................................................................172

Приложение Б Исходные данные для запуска алгоритма расчёта

экспериментальных образцов К-1 - К-4(2)........................................................................................................189

Приложение В Результаты расчёта экспериментальных образцов по

разработанному алгоритму в системе МаШСаё..................................................................193

Справки о внедрении результатов исследований......................................................................................210

ВВЕДЕНИЕ

Одним из направлений, позволяющих обеспечить доступным жильём семьи, является освоение высотного жилищного строительства. В крупных городах отчетливо прослеживается тенденция уплотнения застроек и роста этажности зданий. В первую очередь это связано с дефицитом земельных участков и высокой ценой на них. Повышение этажности позволяет снизить относительную стоимость единицы площади в таком здании.

С повышением этажности зданий значительно возрастают и нагрузки на несущие конструкции. Железобетонные конструкции являются базой современного индустриального строительства. Из железобетона возводят промышленные одноэтажные и многоэтажные здания, гражданские здания различного назначения, в том числе и жилые дома.

Железобетонные колонны - основные несущие элементы каркасных зданий применяются как в промышленном, так и в гражданском строительстве. В жилищном строительстве при возведении каркасных зданий чаще всего применяются монолитные железобетонные колонны, в промышленном строительстве - сборные.

В связи с возрастанием нагрузок при увеличении числа этажей гражданских зданий используют повышение процента армирования железобетонных колонн.

На сегодняшний день имеет место тенденция совершенствования теории железобетона путём внедрения нелинейной деформационной модели расчёта, предусматривающей использование диаграмм деформирования бетона и арматуры. Такая модель всесторонне исследуется и внедряется в различные международные и национальные нормы проектирования железобетонных конструкций. В СП 52-101-2003 и актуализированной редакции СНиП 52-01-2003 - СП 63.13330.2012 для расчёта внецентренно сжатых железобетонных элементов рекомендуется использовать 2-х или 3-х линейную диаграмму деформирования. Однако, реализация такого расчёта на практике вызывает затруднения, особенно для анализа напряженно-

деформированного состояния. Поэтому в диссертационной работе предложен алгоритм, позволяющий определять не только прочность конструкции, но и напряжённо-деформированное состояние с любым видом диаграммы.

В литературных источниках достаточно экспериментальных данных, которые позволяют проанализировать применимость предложенного алгоритма на образцах с процентом армирования внецентренно сжатых конструкций максимально до 2,5-КЗ%. Экспериментальных данных по определению прочности внецентренно сжатых железобетонных элементов с повышенным содержанием арматуры (свыше 3%) недостаточно. В связи с этим было принято решение осуществить проверку целесообразности применения предложенного алгоритма и разработанной на его основе методики расчёта на образцах не только с процентом армирования до 3,0%, но и с более высоким содержанием арматуры, что сейчас применимо для зданий с повышенной этажностью.

Актуальность исследований прочности и напряжённо-деформированного состояния сжатых железобетонных элементов и совершенствование их расчётов определяется областью применения - по данным Аксёнова В.Н. доля их в общем объёме конструкций составляет почти 1/4. Уточнение расчётов позволяет обеспечить конструктивную безопасность, эксплуатационную пригодность и снижение материалоёмкости.

В диссертационной работе рассмотрено применение диаграмм деформирования, рекомендованных нормами Российской Федерации, Еврокодом и предложенной в СГАСУ кривой деформирования бетона при сжатии в условиях кратковременного загружения.

Метод анализа напряжённо-деформированного состояния поперечного сечения элементов с применением деформационной модели включен в Еврокоды, строительные нормы и своды правил России, Беларуси и других стран. Таким образом, нелинейные деформационные модели постепенно вытесняют привычные ранее методы расчёта по предельным усилиям, что

стало возможным благодаря развитию компьютерной техники и технологии.

В настоящее время незакрытым остаётся вопрос о возможности непосредственного применения диаграмм одноосного сжатия (растяжения) бетона для^ расчётов конструкций, находящихся в сложнонапряжённом состоянии.

Одна группа исследователей считает, что работу внецентренно сжатых образцов нельзя численно оценить, используя диаграмму бетона при осевом сжатии (X. Раш, X. Рюш, С. Стокл, Г.М. Стурман, С.П. Шах и Г. Винтер), другая - отмечает практическую неизменность напряжений и деформаций в вершине диаграммы с увеличением лишь предельной сжимаемости с ростом градиента деформации (Л.Е. Кларк, К.Г. Герлстль и Л.Г. Тулин). В.П. Чайка установил, что максимальные напряжения в бетоне при внецентренном сжатии могут повышаться на 10...15%.

Исследователи, придерживающиеся мнения о различии диаграмм одноосного сжатия и сложнонапряжённого состояния количественно и качественно, указывают на необходимость трансформации диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии перед непосредственным использованием в расчётах. Определение коэффициентов трансформации эталонных диаграмм рассматривалось В.В. Адищевым, Э.В. Березиной, Н.В. Ершовой, Ю.А. Крусь.

В диссертационном исследовании автором на основании [1] была произведена трансформация диаграммы деформирования бетона при осевом сжатии. По результатам расчётов установлено, что применение трансформированной кривой деформирования бетона в вычислениях по предлагаемой усовершенствованной методике расчёта прочности приводит к значительному завышению прочности образцов (до 32%).

В нормативных документах России, а также Еврокодах в качестве рекомендуемых для расчётов диаграмм выступают диаграммы деформирования бетона при осевом нагружении.

ч

4

Целью диссертационной работы является совершенствование расчёта прочности и определения напряженно-деформированного состояния внецентренно сжатых железобетонных элементов.

Для достижения поставленной цели были запланированы задачи:

1. Рассмотреть используемые для практических расчётов варианты закона деформирования бетона и арматуры;

2. Разработать основанную на деформационной модели методику, которая является развитием теории профессора Мурашкина Г.В., и позволяет определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и повышенными процентами армирования;

3. представить разработанный алгоритм методики расчёта в виде программы в среде МшкСас1-,

4. выполнить экспериментальные исследования с железобетонными образцами, различающимися прочностью бетона и арматуры, процентом армирования и эксцентриситетом приложения нагрузки;

5. сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов в САПР Лира 9.6;

6. сопоставить результаты проведённого эксперимента с результатами расчётов по предложенной автором методике;

7. сопоставить результаты расчёта по предложенной методике с результатами экспериментальных исследований других авторов.

Объектом диссертационного исследования являются внецентренно сжатые элементы в виде коротких железобетонных колонн прямоугольного сечения.

При этом предметом исследования выступает напряжённо-деформированное состояние внецентренно сжатых железобетонных элементов и методика расчёта их прочности.

Научная новизна исследований:

1. разработана методика расчёта, основанная на деформационной модели, являющаяся развитием. теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющая определять напряжённо-деформированное состояние и определять прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми эксцентриситетами и процентами армирования;

2. получены экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн {1(/Н=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [3,5 + (к/2+20)] см;

3. разработана программа расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодная для практического использования в проектной практике. Программа «Расчёт прочности и определение напряжённо-деформированного состояния (НДС) внецентренно сжатых железобетонных элементов» внесена в Реестр программ для ЭВМ (регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов.

Выполненные исследования способствуют более глубокому изучению работы железобетонных конструкций, подверженных внецентренному нагружению.

Разработанная программа расчёта может быть рекомендована инженерам для выполнения работ по проектированию зданий и сооружений, а также выполнения оценки состояния внецентренно сжатых железобетонных конструкции в условиях эксплуатации. Расчёты по предложенной методике позволяют получать значения поправочных коэффициентов к расчётным сопротивлениям арматуры Б и Б", что делает

возможным применение формул метода предельных усилий для инженерных расчётов без снижения точности полученного результата.

Результаты исследований приняты ООО НТЦ РААСН «ВолгаАкадемЦентр» для оценки состояния консольного покрытия на реконструируемом стадионе «Строитель» в г.о. Тольятти; включены в учебные программы повышения квалификации в области проектирования и строительства НОУ ППДПО «Институт повышения квалификации специалистов строительной отрасли»; включены в рабочую программу по подготовке инженеров по специальности 270105.65 - «Городское строительство и хозяйство» по курсу «Железобетонные конструкции» в Открытом институте (филиале) ФГБОУ ВПО СГАСУ в г. Похвистнево; использованы ООО «ВолгаРегионПроект» при проектировании железобетонных колонн.

(

Достоверность проведённых исследований подтверждается использованием классических методов строительной механики, использованием сертифицированных расчетно-вычислительных комплексов, поверенного измерительного оборудования. Измерения, проводимые при натурных испытаниях, имеют необходимое метрологическое обеспечение, систему дублирования показаний, что позволяет контролировать достоверность полученных в эксперименте результатов.

Достоверность работы подтверждается также значительным объёмом обработанных данных собственных и сторонних экспериментальных исследований, в т.ч. зарубежных, и получением достаточной сходимости экспериментальных данных с теоретическими. Автор защищает:

• методику расчёта, основанную на деформационной модели, являющаяся развитием теории профессора Мурашкина Г.В., позволяющую определять напряжённо-деформированное состояние и прочность внецентренно сжатых железобетонных элементов с наиболее часто применяемыми в практике эксцентриситетами и процентами армирования;

• экспериментальные данные о напряжённо-деформированном состоянии и прочности коротких внецентренно сжатых железобетонных колонн (/¡o/h=5) с повышенным процентом армирования (до 4%) при значениях эксцентриситета внешнего усилия [3,5 (Ъ/2+20)] см;

• программу расчёта железобетонных колонн, подверженных кратковременному одноосному внецентренному сжатию, пригодную для практического использования в проектной практике (внесена в Реестр программ для ЭВМ - регистрационный № 2013617747 от 22.08.2013).

Апробация результатов исследования. Основные положения проведённых исследований по теме диссертации докладывались автором на Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы в строительстве и а�