автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Стыки железобетонных колонн комбинированного типа

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

<05 ^ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

- %

/

ЭХСАНУЛЛА

УДК 624.012:536.4:614.841.33

СТЫКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОЛОНН КОМБИНИРОВАННОГО ТИПА

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков - 1998

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре строительных конструкций Харьковской государственной академии городского хозяйства

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

кандидат технических наук, доцент Шмуклер Валерий Семенович доцент кафедры строительных конструкций Харьковской государственной академии городского хозяйства;

доктор технических наук, профессор Шагин Александр Львович,

заведующий кафедрой железобетонных и камелкых конструкций Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры;

Ведущая организация

- кандидат технических наук

Мшцавааш Тятыгаа Анатольевна, асаспенг кафедры начертательной геометрии и инженерной графики Харковськой государственной Академии железнодорожыою транспорта;

- Украинский зональный научно-исследовательский и проектный институт экспериментального и типового проектирования жилых и общественных зд аний (Кит ЗНИИЭП).

Защита состоится ^¿/ОУ_1998 г. в часов

на заседании специализированного ученого совета Д 02.1S.0S

Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта по адресу: 310050, г.Харьков, пл. Фейербаха, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим посылать на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан

.г?»

1998 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета к.т.н., доцент

Ермак Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы и степень исследоваяиости тематики диссертации. Каркасные здания составляют основу многоэтажного строительства. Им присущи высококонкурентные технико-зкономические показатели при весьма широких объемно-планировочных возможностях. Наиболее эффективны монолитные пространственные каркасы, которые преимущественно и применяются в большинстве стран.

В бывшем СССР многоэтажные каркасные здания возводились в сборном исполнении. При этом в большинстве случаев применялись плоские поперечные каркасы с устройством железобетонных диафрагм либо металлических связей. Применение пространственных каркасных систем носило эпизодический характер. В то же время очевидно, что в целом ряде случаев пространственные каркасы даже в сборном исполнении являются более эффективными, чем плоские. Поэтому ориентация предприятий стройиндустрии и строительных организаций на возведение жилых и общественных зданий со сборным пространственным каркасом представляется перспективной.

Одним из наиболее ответственных и определяющих эффективность конструктивного решения каркасных зданий элементом является стык колонн. Разработка и исследование стыков нашли отражение в значительном количестве работ ученых. Большая часть из них посвящена изучению жестких, моментных стыков. Отмечая их высокую эксплуатационную надежность, нельзя не указать на основные недостатки - технологическую сложность и материалоемкость. В свою очередь, особенности деформирования весьма технологичных контактных стыков пространственных каркасов изучены мало, в связи с чем область их применения ограничена условием отсутствия растяжения, что затрудняет их внедрение в практику строительства. Отмеченная выше рациональность пространственных каркасов предопределяет необходимость исследований и разработок в данном направлении.

Цель работы - создание и внедрение новых эффективных стыков железобетонных колонн комбинированного типа, разработка методики оценки их напряженно-деформированного состояния (НДС) и управления им.

Основные задачи исследования:

• разработать принципы конструирования контактных стыков комбинированного типа, в которых бетон концевых участков колонн и растворные швы испытывают трехосное сжатие;

• экспериментально исследовать и оценить закономерности деформирования растворных швов в зависимости от толщины, площади контакта и состава при неравномерном трехосном сжатии в условиях наличия стальной обоймы;

• построить методику описания процесса нелинейного деформирования бетона при трехосном сжатии с учетом нисходящей ветви диаграммы;

• разработать конструктивно-теоретическую модель стыка предлагаемого типа и построить аппарат оценки его НДС на основе использования программного комплекса "МИРАЖ", с учетом физической нелинейности;

• теоретически оценить влияние характера нагружения. деформативно-прочностных и геометрических параметров компонентов стыка на его несущую способность и деформативность;

• экспериментально исследовать работу предлагаемых стыков комбинированного типа и сопоставить результаты испытаний с данными, полученными путем расчета, выполненного с использованием построенного аппарата;

• разработать принципы оптимизации конструкции стыка на основе управления его напряженно-деформированным состоянием;

• в натурных испытаниях фрагмента каркаса выявить характер и степень надежности работы предложенного стыка колонн при воздействии горизонтальных нагрузок;

« внедрить результаты настоящей работы.

Объект исследования - конструкция контактного стыка колонн пространственного сборного железобетонного каркаса, напряженно-деформированное состояние и несущая способность стыка.

Методы исследования - экспериментальное и теоретическое изучение работы предложенного стыка колонн, исследование НДС стыка комбинированного типа с привлечением ПК "МИРАЖ", установление в стандартных и специальных испытаниях закономерностей деформирования растворного шва, натурные испытания стыка в составе фрагмента каркаса, решение задачи оптимиза-

ции конструкции стыка с учетом возможности управления его напряженно-деформированным состоянием (НДС).

Лично полученные диссертантом результаты, которые выносятся на защиту.

• предложены принципы рационального формирования и разработана на их основе конструкция стыка железобетонных колонн комбинированного типа;

• выявлены в проведенных экспериментах закономерности деформирования растворных швов различной толщины, площади контакта, состава в условиях испытуемого ими сложного напряженного состояния, предложена аналитическая зависимость для их описания;

• построена процедура учета работы бетона в условиях трехосного сжатия с учетом нисходящей ветви индикаторной диаграммы;

• разработана методика оценки НДС и несущей способности предложенного стыка комбинированного типа с учетом действительных диаграмм деформирования его элемент.ов;

• уточнены на основе численных исследований конфигурация и положение ядра сечения в концевой части колонны и стыке;

• построен инженерный расчетный аппарат оптимизации конструкции стыка с учетом управления его НДС;

• экспериментально получены данные о работе стыка комбинированного типа при действии вертикальных нагрузок и проведен анализ соответствия им теоретических данных, найденных по разработанной методике;

• установлены в натурных испытаниях закономерности работы предложенного стыка при воздействии горизонтальных нагрузок;

• проведен технико-экономический анализ результатов внедрения предложенной конструкции стыка.

Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями элементов стыка, стыка в целом, натурными испытаниями стыков в составе фрагментов каркаса, проведенными с применением стандартного и' специально созданного оборудования, автоматизированного измерительного комплекса; использованием прошедшего многолетнюю апробацию ПК "Мираж", положений теории пластичности и нелинейной механики жёлезобетона;-прием-" -:'

лемым соответствием результатов, полученных экспериментально, и расчетом по разработанной методике; накопленным опытом внедрения пространственных каркасов системы "Икар" со стыком предложенной в настоящей работе конструкции.

Научная новизна работы:

• экспериментально установлена степень влияния толщины, площади контакта и состава растворного шва на его работу в стальной обойме, получена зависимость для описания процесса деформирования шва;

• на основе положений теории пластичности предложен подход к описанию деформирования бетона в условиях неравномерного трехосного сжатия с учетом нисходящей ветви индикаторной диаграммы;

• экспериментально исследованы особенности работы стыка комбинированного типа при действии вертикальных нагрузок;

• в натурных испытаниях фрагмента каркаса получены данные о работе стыка при действии горизонтальных нагрузок;

• разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния стыка с учетом нелинейности деформирования бетона и растворного шва в условиях неравномерного трехосного сжатия.

Практическая ценность состоит в том, что разработанная конструкция стыка, методика его расчета и оптимизации с одновременным управлением НДС позволяют проектировать и возводить эффективные и надежные здания с пространственными каркасами.

Уровень реализации, внедрение результатов работы. Практическая реализация результатов работы осуществлена в АО "Куряжский ДСК" при создании и освоении в массовом строительстве системы многоэтажных зданий многофункционального назначения "ИКАР', основой которых является пространственный каркас с стыками, предложенными в настоящей диссертации.

Апробация работы. Результаты работы представлялись и обсуждались на Международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций" (г.Белгород, 1995 г.), Первой Всеукраинской научно-технической конференции "Научно-практические про-

блемы современного железобетона" (г.Киев, 1996 г.), научных конференциях ХГАГХ 1994-1997 г.г. (г.Харьков).

Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, списка использованных источников из 112 наименований, 1 приложения. Она содержит 103 машинописных страницы основного текста, 87 рисунков, 23 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и основные задачи исследования, подчеркнута научная новизна, практическая ценность, кратко изложено содержание и результаты работы.

В первом разделе выполнен анализ отечественных и зарубежных исследований применяемых конструкций стыков колонн сборных плоских и пространственных каркасов, существующих методов оценки их НДС и несущей способности.

Каркасные здания являются основой многоэтажного строительства. Их исследованию посвящены работы Буракаса А.И., Дыховичного Ю.А., Козачев-ского А.И., Колякова М.И., Кривошеева П.И., Семченкова A.C., Сно В.Е., Паньшина Л.Л., Шмуклера B.C. и др.; созданы современные программные комплексы, позволяющие рационально и надежно проектировать каркасные здания с учетом конструктивных особенностей и свойств материалов.

Стык колонн представляет один из наиболее ответственных и сложных элементов каркаса. Изучению его работы, разработке методов расчета посвящены исследования Александряна Э.П., Васильева А.П., Гнидец Б.Г., Горшковой В.Н., Ковнеристова Б.Г., Крылова С.М., Моткова Н.Г. и др. Применяемые типы стыков разделяются по способу передачи усилий, характеру статической схемы работы, геометрии торца колонн и ряду других особенностей.

Весьма важным является обеспечение равнопрочности самого стыка и концевых участков объединяемых колонн, технологичности, минимума расхода материальных и энергетических ресурсов, равномерности передачи усилия, ис-

ключение повышенной деформативности и др. Перспективны в рассматриваемом плане-стыки, в которых используются преимущества работы элементов, испытующих трехосное сжатие, эффективность которых изучена в исследованиях Лукши Л.К., Санжаровского P.C., Стороженко Л.И., Чихладзе Э.Д., Шагкна А.Л. и др. Однако разработанные конструкции стыков в основном предназначены для плоских каркасов, существующие методики расчета недостаточно строго описывают их НДС, практически не решена задача оптимизации параметров стыка с учетом управления его НДС. В связи с установленным на основе проведенного анализа состоянием вопроса сформулированы задачи работы.

Второй раздел посвящен разработке научных основ конструирования стыка комбинированного типа. В качестве главного был принят принцип создания в конструкции стыка при действии эксплуатационных нагрузок наиболее благоприятного дая составляющих его элементов напряженно-деформированного состояния. При этом оптимизацию параметров стыка при проектировании предложено осуществлять с учетом возможности управления указанным состоянием.

Важным принципом является обеспечение технологичности стыка и возможности организации контроля его качества в процессе монтажа каркаса. Кроме того, необходимо учитывать особенности работы стыка в составе пространственного каркаса.

Предлагаемый стык комбинированного типа, конструкция которого представлена на рис, 1, является контактным, плоским, с обрывом продольной рабочей арматуры и передачей усилий преимущественно с бетона на бетон.

Заключение концевых частей стыкуемых колонн в стальные обоймы существенно повышает прочность бетона в них благодаря возникновению трехосного сжатия. Стальная обойма, препятствуя поперечным деформациям бетона, сжимает его в горизонтальной плоскости. Возможности обжатия ограничиваются жесткостью обоймы, так как ее элементы, помимо растяжения, испытывают изгиб в горизонтальной плоскости. В целях повышения изгибной жесткости обоймы к ней приваривается внутренние арматурные стержни. В вертикальной плоскости к обойме через стержневые прокладки крепятся концы продольной рабочей арматуры колонны.

Рис.1. Предлагаемая конструкция контактного стыка: 1 - продольная арматура; 2 - арматурный угловой вкладыш; 3 - внутренняя обойма; 4 - дополнительная сетка в пределах внутренней обоймы; 5 - внешняя обойма; 6 - растворный шов; 7 - сварка

ля 1 -»Л 1 КЗ и-я -СД

на -4(1 -ап -« ы -ца в

0 ■АН ■ш -4« * -"Л/ ~t.tr ■¡г*

•Леи ■лю ■ог ■лщ -ям -ЛЛВ =38. .«в- -ер! -ВЫ -да* -V

-у»» ЦШ -431 -1.КЗ ■¡В. ■НЮ ■т. -л а/

& -О/Г

•«»» в.М -о, а £ 152 «ч

да -1» Н ■ С»1 •си -«>

чЛ ш .ь.т .¿к -42» -Л*

Ш <м -ьсб •4Э -а» •«У .5Й -О» -щ ■«гг

-и -к * У * * -4-

ч % x * -А

% % ух £ *

* % ¥ *

* *

Рис.2. Распределение главных напряжений (Ти (Мпа) в растворном шве и направление главных площадок

х>

"симмет-

рии

Рис.3. Главные напряжения си .2 (МПа) в сечениях Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений

ом, МПа вдоль оси железобетонной колонны для

бетона концевых участков колонн

-''1 У у- (5) © ч,

—1

«/ /

и ьн

/ 1© к; 1 )

\ « / / ■ 4А N '—- )

И С. ) --«а»- у 'Г1

а* Г/

ш

щ

! Л

щ

и-

13

Рис.5. Напряжения в пластинах внутренней (а,б) и внешней (в,г) обойм. МПа а), в) - ст„; б), г) - а,

различных вариантов исходных параметров.

....

.... —

—

— — ■ \ 4 <

</ \ /

\\ / N </

*

Рис.6. Ядро сечения (1 - Ш расчета;

2 - при одноосном сжатии бруса)

Повышение прочности концевых частей колонн, исходя из условия равно-прочности элементов стыка, требует адекватного увеличения прочности растворного шва, что также'достигается заключением его в стальную обойму. Данная внешняя обойма приваривается к обоймам концевых частей стыкуемых колонн и служит ограничителем поперечных деформаций растворного шва и соответственно элементом, обеспечивающим трансформацию напряженного состояния шва в трехосное сжатие, следствием чего является увеличение его прочности.

Следует отметить, что внешняя обойма первоначально приваривается к обойме нижней колонны, образуя кондуктор для монтажа верхней колонны. Указанное существенно упрощает технологию монтажа без потери его точности.

Отличительной особенностью предлагаемого стыка является то, что он способен частично воспринимать изгибающие моменты, т.е. обеспечивать дополнительный ресурс пространственному каркасу при восприятии нагрузок. Тем не менее, основными элементами, обеспечивающими геометрическую неизменяемость зданий повышенной этажности, остаются железобетонные диафрагмы жесткости либо металлические связи.

Строгая оценка НДС стыка невозможна без знания закономерностей деформирования растворного слоя и бетона концевых частей колонн, стесненных обоймами. Так как деформативные и прочностные показатели растворных элементов зависят от их состава, технологии изготовления, масштабного фактора, представилось целесообразным получить количественные оценки их влияния для возможных модификаций растворов и условий твердения, встречающихся в практике возведения каркасных зданий. Объемное соотношение цемента и песка варьировалось от 1:6 до 1:2, твердение образцов происходило в воздушной среде при температуре 17...20 °С и условиях повышенной влажности. В исследованиях использовался цемент Балаклейского завода марки "400", песок средней крупности Змиевского и Безлюдовского карьеров. Влажное хранение обеспечило повышение прочности стандартных образцов в 1,3—1,4 раза.

В испытаниях растворных пластин размерами 7,07x7,07 см в плане варьировалась толшина: I; 1,5; 2,0; 2.5 см. Образцы испытывались на осевое сжатие, в прессе МС-1000, каждая серия состояла из 3...6 пластин. Независимо от марки раствора и условий твердения прочность пластин возрастала по мере уменьшения толщины (при постоянной площади пластины). Максимальное увеличение

прочности пластины (до 10 раз) было зафиксировано при толщинах, близких к 1,0 см. Аппроксимация полученных в испытаниях данных позволила установить закономерность повышения прочности растворных образцов по мере уменьшения их толщины по сравнению с стандартным кубиком:

+ (1) К /

где / - толщина образца в см.

Разрушение образцов толщиной менее 1,5 см происходило вследствие раздавливания, превращения в песок, и фиксировалось по моменту резкого замедления движения стрелки на шкале силоизмерителя.

Влияние площади растворного образца устанавливалось сопоставлением результатов испытаний пластин размерами в плане 10x10 см и 15x15 см с пластиной размером 7,07x7,07 см. Было установлено, что с ростом площади образца прочность возрастает: в 1,51 раза у образцов 10x10 см и в 2,4 раза у образцов 15х 15 см.

В целях экспериментального выявления степени влияния металлической обоймы, т.е. условий трехосного сжатия, на прочность и деформативность растворного слоя, испытания проводились в прессе с передачей нагрузок через прокладки-пуансоны, а выпучивание обойм фиксировалось индикаторами контактного типа ИЧ-10. Испытанию подвергались пластины размером 7,07x7,07 см, толщиной 2 см. По достижении нагрузок 160 кН, а затем 250 кН образцы разгружались и повторно нагружались. После доведения величины нагрузки до 700 кН индикаторы снимались, нагружение продолжалось до нагрузки 1400 кН и выше, однако разрушить растворный слой не удавалось. Достигнутое максимальное давление в растворном слое в обойме составило 28,6 кН/см2. Пластические деформации в растворном слое и обойме при нагрузке ^=160 кН составили еро = 186-Ю"5, при F= 250 кН - ер0 =472-10-5. Аппроксимация результатов испытаний позволила получить аналитическую зависимость между деформациями ер0 и напряжениями <трд, возникающими в растворном слое, заключенном в обойму:

£ --°Л--ю-4, (2)

>° 1.174- 0.008282ст„„

где размерность аро - в МПа.

Так как фактическое разрушение образцов происходило только в случаях разрыва стальной обоймы, можно сделать вывод, что определяющим фактором является рациональный выбор параметров обоймы.

В третьем разделе изложена методика оценки напряженно-деформированного состояния и оптимизации конструкции предлагаемого стыка с учетом управления указанным состоянием. Методика построена на использовании выявленной закономерности работы растворного слоя в обойме и основана на положениях теории малых упруго-пластических деформаций, с помощью которой произведено описание поведения бетона концевых частей колонн в условиях неравномерного трехосного сжатия с учетом нисходящей ветви индикаторной диаграммы, а также применения метода конечных элементов, реализованного в ПК "Мираж".

При описании работы бетона в обойме принято допущение об отождествлении связи между интенсивностями деформаций и напряжений с индикаторной диаграммой бетона при одноосном сжатии. Диаграмма "а,-е„" с нисходящей

ветвью описывается по Давыдову Н.Ф.-Шмуклеру B.C.

az

-(3)

z +jsz + 1

г- Л Я * £„

где а-Е,-е , /? = —-2, г—

R ■-у .

Преимущество записи (3) в физической прозрачности, интегрируемости в замкнутом виде и возможности однозначного построения обратного оператора

е, = /(о-„) ■

Нелинейность деформирования элементов конструкции стыка приводит к необходимости линеаризации задачи путем применения метода последовательных приближений, в процессе которых уточняются значения напряжений в наперед заданных точках и соответствующие им величины секущих модулей деформаций. На каждом шаге итераций предлагаемый стык моделируется нерегулярной и неоднородной комбинированной структурой. Начальным этапом решения задачи является обоснованное разбиение на суперэлементы, определение граничных условий и условий сопряжения суперэлементов между собой. Супер-

элементы в свою очередь расчленяются на объемные конечные элементы (КЭ), назначаются узлы сочленения суперзлементов и опорные узлы КЭ. Геометрическая дискретизация конструкции стыка производилась с использованием универсальных восьмиузловых КЭ. Для ввода и корректировки исходных данных при расчете стыка с использованием объемных КЭ использовался препроцессор КВАРК, поддерживающий работу в режимах графического и алфавитно-цифрового диалога, максимально автоматизируя процессы синтеза расчетной схемы.

В связи со сложностью рассматриваемой трехмерной нелинейной задачи особое внимание было уделено выбору сетки конечных элементов. Окончательный вывод о ее приемлемости был сделан на основании сопоставления получаемых результатов с точными решениями двух задач. Первая - это задача о равномерном сжатии призмы без обоймы, имеющей размеры рассчитываемого фрагмента, а вторая - задача о сжатии бетонной призмы, заключенной в абсолютно жесткую обойму. Выбранная таким образом сетка обеспечила различие приближенного решения с решениями отмеченных выше задач, не превышающее 3,6%. Перечисленное позволило провести репрезентативный численный анализ напряженного состояния стыка. При этом в достаточно широких пределах варьировались соотношения модулей деформаций растворного шва и бетона колонн, геометрические размеры обоймы, характер нагружения - от центрального сжатия до косого внецентренного с большими эксцентриситетами. Учитывая направленность данной работы, в процессе решения определялись не только компоненты тензора напряжений (рис.2), а и главные напряжения, включая установление положения главных площадок (рис.3), а также величин эквивалентных напряжений, подсчитанных на основе введения критерия прочности Мора (рис.4). На рисунках 2..4 буквами я/ (/=1,2) обозначены различные варианты расчетов. Кроме перечисленного, удалось проследить трансформацию конфигурации и размеров ядра сечения при переходе от одноосного сжатия к трехосному (рис.6). Теоретически оценено включение обойм в работу в зависимости от уровня напряженного состояния и обозначены особенности деформирования, обусловленные формой сечения (наличие углов).

При установлении рациональных параметров рассматриваемого узлового соединения использован подход, объединяющий в себе их оптимизацию с одно-

временным регулированием характеристик НДС. В связи с этим в качестве функции цели принята общая стоимость стыка, а условие регулирования, в соответствии с введенным критерием прочности, обусловливает равенство нулю эквивалентных напряжений. Последнее выражает требование равноопасности возникающего напряженного состояния ненапряженному.

Решение задачи оптимизации осуществлялось методом интегральных градиентов, предложенным В.С.Шмуклером. При этом глобальный минимум стоимости и его координаты разыскивались в интегральном виде:

Л - область, определяемая ограничениями задачи, включая и условие регулирования;

В качестве управляющих параметров принимались геометрические размеры обойм, площадь анкеров, физико-механические характеристики шва. Полученное численное решение задает все параметры предложенного стыка, изображенного на рис.1.

В четвертом разделе изложены методика и результаты проведенных экспериментальных исследований работы стыков предлагаемой конструкции при воздействии вертикальной сжимающей нагрузки. Целью исследований являлоа изучение характера деформирования и исчерпания несущей способности новогс типа стыка, а также оценка приемлемости разработанной методики расчета пу тем сопоставления теоретических и экспериментально полученных результатов.

Испытанию подверглись 5 образцов стыка колонн предлагаемого типа 1 натуральную величину. Концевые участки колонн имели поперечное сечени

(4)

¡х£р(х)сЮ.

(5)

о

где С(*) - функция цели (общая стоимость); ХТ = - вектор управляющих параметров;

X' - .¡-я координата глобального минимума.

250x250 мм, длину 350 мм, изготавливались из бетона класса В 30, продольная арматура 0 14мм класса А-Ш, поперечная - 0 4 мм класса Вр-1.

Фрагменты колонн попарно стыковались установкой друг на друга на растворе М200 и объединялись стальной внешней обоймой-кондуктором из полосы 100x6 мм путем ее приварки к обоймам концевых участков колонн.

Испытания проводились в гидравлическом прессе ПСУ-500 с шкалой си-лоизмеритеяя до 5000 кН. Передача нагрузки от пресса на торцы испытуемого образца стыка осуществлялась с помощью стальных пластин различной площади. Расположением указанных пластин задавалась величина эксцентриситета приложения нагрузки. Измерение деформаций осуществлялось с помощью накладных электротензометров системы ХПСНИИПроекта, проволочных тензо-резисторов, механических рычажных тензометров с ценой деления 0,001 мм. Регистрация показаний электротензометров и тензорезисторов производилась с помощью электронной тензометрической системы СИИТ-3, Нагружение производилось ступенями по 100 кН с выдержкой 5-10 мин.

Образец стыка СК-3 нагружался с малым эксцентриситетом е-2 см. На некоторых ступенях вследствие существенных деформаций наблюдалось некоторое падение нагрузки. Так, при нагрузке 65 кН падение составило 5 кН, при 215 кН -30 кН, начиная с 415 кН и выше, нагрузка в процессе выдержки оставалась неизменной. Трещины в бетоне верхнего элемента появились при нагрузке 915 кН. Разрушение бетона верхнего элемента произошло при нагрузке 1015 кН.

В образце стыка НСК-1 торцы фрагментов колонн были усилены обоймой из стальной полосы (рис.7). Нагрузка прикладывалась по оси образца. Трещины в бетоне нижнего элемента были обнаружены при нагрузке 1290 кН, максимальная нагрузка 1790 кН, укорочение образца составило 2,27 мм. Разрушение происходило вследствие разрушения бетонных частей (по типу разрушения кубов) с выпучиванием арматурных стержней.

Испытания образца СК-2 производилось с использованием стальных колпаков-обойм, предварительно устанавливаемых по концам фрагментов колонн на растворе М100. Эксцентриситет приложения нагрузки е=12,7 см. В первый день величина нагрузки была доведена до 465 кН. При нагрузке 315 кН появилась горизонтальная трещина, при 365 кН - наклонная трещина. Максимальная

ширина раскрытия трещин в растянутой зоне 0,5 мм. После разгрузки ширина раскрытия трещин уменьшилась до 0,15 мм.

На следующий день испытания были продолжены до разрушения. Величина разрушающей нагрузки 565 кН, максимальное раскрытие трещин 1,0 мм. Разрушение характеризовалось раздроблением бетона сжатой зоны в верхнем элементе и раскрытие трещин в растянутой зоне.

Для установления максимально возможной несущей способности стыка предложенной конструкции были испытаны 2 образца МКС-1 и МКС-2. Они изготавливались без концевых бетонных участков колонн. В обоймы колонны, заполняемые бетоном, устанавливались 4 коротыша рабочей арматуры. Торцы образцов выравнивались раствором М100. Образец МКС-1 испытывался на осевое сжатие. Нагрузка первоначально была доведена до 3000 кН, после чего была осуществлена разгрузка образца. На данной стадии было заметно выпучивание кондуктора и обойм. Затем нагрузка была доведена до 4500 кН, при которой было зафиксировано значительное уменьшение толщины растворного слоя и бетона внутри стальных элементов стыка, а также выпучивание обоймы в середине граней, однако сварные швы нарушены не были.

Аналогичный образец МКС-2 испытывался на внецентренное сжатие. На первой стадии нагрузха была доведена до 1000 кН. При этом растворные слои под центрирующими пластинами были продавлены, вследствие чего наблюдался перекос плит пресса. Перед второй стадией пластины были переставлены, нагрузка была доведена до 1700 кН, когда произошло раздробление бетона в торцах образца и разрыв вертикального сварного шва.

Таким образом, проведенные испытания показали высокую надежность предлагаемой конструкции стыка при различных эксцентриситетах приложения сжимающей нагрузки. Зафиксированные в испытаниях количественные и качественные параметры НДС стыка (рис.8,9,10) вполне приемлемо соответствуют полученным в расчетах по разработанной методике.

Пятый раздел посвящен внедрению результатов работы, технико-экономическому анализу полученных показателей.

Внедрение разработанной конструкции стыка комбинированного типа осуществлено в АО "Куряжский ДСК" в зданиях с пространственным каркасом

*

ж

Рис.7. Общий вид испытательной установки и тензометричесхой системы Р, кН 1 /У/

,"а / 1/ У' Р,кНЛ

Продольная деформация (сжатие)

.....

16 I] С X 10*

. Д *м (лср^мсшенис

Рис.8. График связи продольной деформации с Рис.9. Зависимость между нагрузкой рас-нагрузкой, построенный по результатам испы- творного шва и перемещениями, построенная таний на центральное сжатие: по результатам испытаний на сжатие

1 - кондуктор; 2 - нижняя обойма; 3 - верхняя обойма; 4 - нижняя колонна; 5 - верхняя колонна р,кН

Поперечные деформации

Продольные деформации

Рис.10. График "на1-рузка-деформация", построенный для стальных элементов стыка по результатам испытания па сжатие; 1 - средняя обойма: 2 - нижняя обойма, 3 - верхняя обойма

системы "Икар". Им освоен выпуск элементов каркаса и начато массовое возведение зданий различного функционального назначения. Промышленному внедрению предшествовали натурные испытания фрагмента пространственного каркаса. В настоящей работе изложена методика, результаты испытаний на воздействие горизонтальных нагрузок, подтвердившие надежность предложенной конструкции стыка.

Представленный в разделе технико-экономический анализ показывает, что у зданий с стыками колонн разработанной конструкции существенно меньшие расход бетона, арматурной стали и общие трудозатраты, чем у домов наиболее широко применяемых в практике строительства серий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана конструкция стыка железобетонных колонн комбинированного типа, повышенная эффективность которой обеспечивается созданием наиболее благоприятного для работы бетона концевых сталебетонных частей и растворного слоя напряженного состояния - трехосного сжатия. Конструкция стыка позволяет управлять параметрами указанного состояния направленным подбором деформативно-прочностных показателей и геометрических характеристик элементов стыка.

2. Проведенные экспериментальные исследования выявили степень влияния толщины, площади контакта, состава на работу растворного слоя, получена аналитическая зависимость, определяющая связь между деформациями растворного слоя в обойме и действующими в нем напряжениями.

3. На основе положений теории пластичности предложен подход к описанию деформирования бетона в обойме с учетом нисходящей ветви индикаторной диаграммы.

4. Разработана методика оценки НДС стыка комбинированного типа с учетом закономерностей деформирования бетона и растворного слоя в условиях неравномерного трехосного сжатия. Расчетный аппарат построен на применении ПК "МИРАЖ" с использованием суперэлементов и дискретизации области объемными восьмиузловыми конечными элементами.

5. На основе разработанного расчетного аппарата выполнены исследования влияния физико-геометрических параметров растворного шва, бетона и стальной обоймы на работу стыка при различных схемах приложения нагрузки.

6. Построен инженерный аппарат оптимизации конструкции стыка с учетом управления его НДС.

7. Проведенные экспериментальные исследования моделей стыка колонн, подверженных сжатию с малыми и большими эксцентриситетами, показали их высокую несущую способность: величины разрушающих нагрузок достигали соответственно 1800 и 565 кН.

Разрушение моделей стыков предложенной конструкции происходило вне

зоны стыка вследствие исчерпания несущей способности прилегающего участка

колонны.

8. Деформации обжатия стыков при действии сжимающей нагрузки носят нелинейный характер, при нагрузке накапливались существенные остаточные деформации, что необходимо учитывать при проектировании каркасов повышенной этажности.

9. В экспериментах установлено, что стальные обоймы вовлекаются в работу при высоких уровнях нагружения - 1000 кН и более . напряжения в них не превышали предельных значений.

10. В угловых зонах бетонного сечения стальных обойм и кондуктора имеет место концентрация напряжений. Усилия сжатия в стыке передаются в основном через растворный шов, через кондуктор указанные усилия передаются только в угловых зонах.

11. Сопоставление экспериментально полученных данных и результатов расчета по разработанной методике показало их приемлемое соответствие.

12. Проведенные совместно с АО "Куряжский ДСК" натурные испытания фрагмента каркаса показали достаточно высокую надежность работы стыка при воздействии горизонтальных нагрузок.

13. Разработанная конструкция стыка комбинированного типа внедрена в системе каркасных зданий "ИКАР", освоенной АО "Куряжский ДСК".

14. В результате выполненного технико-экономического анализа установлено, что система зданий "ИКАР" со стыками разработанной конструкции обладает

более высокими показателями, чем серии зданий, применявшиеся до настоящего времени в массовом строительстве.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Шмуклер B.C., Эхсанулла. Экспериментальные исследования натурного фрагмента каркаса нового типа при действии вертикальных нагрузок. Тезисы докладов Международной конференции "Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций". - Белгород: БелГТАСМ. - 1995. - 4.2. - С.93-94.

2. Эхсанулла. Экспериментально-теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния контактного стыка специального вида. - Сб. тезисов Первой всеукраинской научно-технической конференции "Научно-практические проблемы современного железобетона". - К.: НИИСК. - 1996. -С.208-211.

3. Шмуклер B.C., Зинченко Н.В., Эхсанулла, Регулирование напряженно-деформированным состоянием элементов стыка железобетонных колонн, усиленного металлической обоймой // Коммунальное хозяйство городов. - К.: Техшка, 1997. - Вып. 10. - С.3-7.

4. Шмуклер B.C., Зинченко Н.В., Эхсанулла. Исследования напряженно-деформированного состояния элементов стыка железобетонных колонн, усиленного металлической обоймой // Науковий вюник будгвництва. - XapKiB: ХДТУБА, 1997. - №1. - С.79-80.

5. Шмуклер B.C., Седышев Е.С., Эхсанулла. Экспериментальное исследование работы стыков колонн контактного типа // Науковий вкник буд]вництва. -XapKis: ХДТУБА, 1997. - вип. 1. -С.80-81.

АННОТАЦИЯ

Эхсанулла. Стыки железобетонных колонн комбинированного типа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Специальность 05.23.01 - строительные'конструкции, здания и сооружения.

Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта. Харьков, 1998...

Предложены принципы рационального формирования и на их основе конструкция стыка колонн комбинированного типа.

Экспериментально исследованы и описаны закономерности работы предложенного стыка и его элементов.

Разработаны методики оценки НДС и несущей способности, а также инженерный расчетный аппарат оптимизации конструкции стыка с учетом управления его НДС.

Проведены натурные испытания фрагментов пространственного каркаса здания, подтвердившие надежность и эффективность разработанной конструкции стыка.

Предложенный стык комбинированного типа внедрен в системе каркасных зданий "Икар", массовое строительство которых осуществляется АО "Куряжский ДСК".

Ключевые слова: стык колонн, металлическая обойма, трехосное сжатие, пространственный каркас, оптимизация, нелинейность деформирования, несущая способность.

АНОТАЦ1Я

Ехсанулла. Стики зал1зобетонних колон комбшованого типу . - Рукопис. Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спеш-альшстю 05. 23. 01 - буд1вельш конструкци, буд1вл! та споруди . Харювсьха державна академ1я зал!зничного транспорту, Харкт, 1998.

Запропоноваш принципи рашонального формування та на ¡'х основ1 конструкция стику колон комбшованого типу. Експериментально досл1Джеш та описаш закономерности роботи запропонованого стику та його еяеменпв. Роз-роблеш методики ощнки НДС та несучо? спроможносл , а також ¡нженерний розрахунковий апарат оптим1заци конструкци стику з урахуванням управлшня його НДС. Проведен! натурш випробування фрагменте просторового каркаса буд1вл1, як! подтвердили надшшсть та ефектившсть розробленоТ конструкци стику. Запропонований стик комбшованого типу запроваджений у систем! карка-сних буд1вель "1кар" , масове буд1вництво яких зджснюе АТ "Курязький ДБК".

Кточовг слова : стик колон, металева обойма, трьохосний стиск, просто ровий каркас, оптим1защя, нелшШтсть деформування, несуча спроможшсть.

ABSTRACT

Ehsanullah. Joints of reinforced concrete columns of combined type. — manuscript.

Thesis for a technical sciences candidate's degree. Specialty 05.23.01 — engineering constructions, buildings and erections. Kharkov state academy of railway transport. Kharkov, 1998.

Principles of rational formation and construction of joints of combined type on their basis have been offered.

Appropriatness of the offered joint and its elements has been experimentally investigated and described.

Methodology of estimation of stress-deformed condition and carrier power has been developed as well as engineering analysis of optimization of joint construction with its stress-deformed condition.

Natural tests of fragments of spatial framework of building which have confirmed reliability and efficiency of the offered joint's construction.

The offered joint of combined type has been introduced into a system of framework buildings "IKAR", mass construction of which is carried out by joint-stock company "Kuryazh integrated house-building factory".

Key words: joint of columns, metal casting, three-axis compression, spatial framework, optimization, non-linearity of deformation, carrier power.