автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Устойчивость комбинированных сталежелезобетонных элементов при кратковременном и длительном загружении

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ,' ВЫСШЕЙ ШШЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ. ЮМИТЕТ ГО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

ДШНГРАЖШЙ ИНШШЮ-СШШЕШШЙ ИНСТИТУТ .

На правах рукописи

ШКЕХ АХМЕД САЛИМ

УДК 624.07.014.27.046:624.042.2

УСТОЙЧИВОСТЬ Ю ШИНИРОВАННЫХ СГАЛЕЗШЕЭОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ КРАТКОЕРЗИЕННОМ И ДЛИТЕЛЬНОМ ЗАГРУЖЕНШ

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания

и сооружения

АВТО Р £ Ф Е.Р АТ диссертации на соискание ученой степени кавдвдата технических наук

САНКТ-ПЕГГЕРВУРГ 1992

- Работа, выполнена в Ленинградском инясеьерно-строительном институте.

.. Научный руководитель - доктор технических нау",

профессор P.C.Санкаровский

Официальные оппоненты:,доктор технических наук,

профессор Трул.г.з В. А. кандидат технических наук Шеховцов В.Л

Ведущая организация - ЛО Проектстальконструкция

Защита состоится "_" 1992 г. в __часов на

ааседалии специализированного К 063.31.01 при Ленинградском инженерно-строительном институте по адресу: 198005, Санкт-Петербург, 2-ая Красноармейская ул., д.4, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "_" 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технически?: наук, доцент

*В.И.Морозов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальным направлением в разработке строительных конструкций является создание конструктивных эле-«ентов, в структуру которых включаются сталь и бетон, работавшие как однородный материал. Использование таких конструкций ) современном строительстве является важным фактором снижения 5тоимости и трудоемкости строительства при одновременном улучшении показателей материалоемкости сооружений.

Применение сталежелезобегоншх элементов позволяет снизить стоимость сооружений на 20-40$. Одновременно масса сооружений 'меньшается в 1,5-2 раза, значительно повышается огнестойкость [ коррозийная стойкость несущих конструкций. В настоящее время ¡талежелезобетонные элементы применяется в строительстве промы-1ленных и граящаниских аханий» мостов, 'тоннелей, опор линий электропередач, твлевизионних и ретрансляционных бад^

Для обеспечения возможности более широкого применения подо-ных конструктивных элементов необходимо разработать обоснование методики их расчета как на прочность, так и на устойчивость.

Анализ существующих методов расчета различных видов стала- . влезобетонных конструкций указывает на необходимость совершен-твования методов их расчета на основе теоретических и зкспери-ентальных исследований их, действительной работы.

Актуальной задачей является исследование, устойчивости ота-ежелезобетонных конструкций. Поэтому тема диссертации, посвя-енная изучению критического состояния элементов сталежелепобе-онных конструкций,-актуальна и имеет важное практическое значено. ' '''.■■'-' •'.';.: V ■''• Г .'.'Л- .•■'.'•. . .

. Цель» диссертационной работы является исследование устой-

' \ 4 _ • ■

чиаостк стаяежвлваобетонных покрытий, конструкций в жесткой арматурой и грубобвтоюих конструкций в растянутым поясом при длительном и при кратковременном загруженная. Научная новизна работы.

1. Разработаны расчетные модели устойчивости сталежелезобетон-ных II трубобатоншх конструкций трех указанных выйе типов для различных водов напряженных состояний.

2. Состаьлены программы расчета устойчивости сталежелезобетон-кых колонн при кратковременном и длительном аагружении. .

3. Выполнен анализ экспериментальных даншх по результатам исследований трубобетоншх колонн на кратковременное и длительное эагружение.

4* Дана'практические рекомендации по расчету вышеперечисленных конструкций. !

Практическая значиыооть работа. Выполненные исследования позволили распространить теоретические метода расчета устойчивости на сталежелезобетойша конструкции. Получены графики кри-.. тических вазисимостей продольной силы от гибкоотй стержня и вк-сцентриситета^ позволяющие определять критические вначения параметров сталежелезобетонншс конструкций.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывали на 45, 46; 47, 48 и -49 научных конференциях ЛИСИ (г. Ленинград , 1988 ♦ 1992г.г.)' " ,'

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в статьях.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав заключения, списка литературы из 92 наименований и приложения.

б

Общий объем диссертации: 143 страницы, я том числе 52 ри-унха и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОМ .

Во введении дается обоснование актуальности теми диссергта-яонной работы, определяютсй цели к задачи исследования.

В первой глава рассмотрены основще направления развития галежелезобетонных конструкций. Экспериментально-теоретические ^следования напряженно-деформированного состояния сталежалезо-(тонных конструкций при-действии на них кратковременных'и дли- . »льных нагрузок выполнены в работах Стрелецкого H.H., Василье-i А.П., Воронкова Р.В. , Клименко Ф.Е., Кикина А.И., Трулля В.А., -шжаровского P.C., Стороженко Л.И. .Шеховцова В.А. и других торов. '''■".> '

. В зависимости от условий работы конструкции, технологии иа-товления и монтажа выделено восемь основных направлений раз-тия конструктивных форы сталежелезобетона.

Рассмотрены известные в настояцее время методы расчета ста-железобетонных конструкций. Метопы расчета разрабатывались в следованиях Стрелецкого H.H., Гибшмана B.Bv, Потатлша A.A., пиппова А.И., Каргапмь^ева В.М., Чихладзе зЭ.Д., Амитова Ю.Г. цругих авторов/ Эти авторы рассматривали* в основном вопросы гчета изгибаемых сталежвлвзобатонных конструкций в предположи упругой или упрдггшластичеокой работы о учетом явлений 1эувести и усадки бетона^

Дан краткий обзор работ. посвящендах рассмотренио методов :чета -бетонных элементов с жесткой арматурой, сталежелезобе-шых конструкций, применяемых в перекрытиях производственных . иий, а также трубобетонма конструкций.

В работах Санжаровского Р,С;, Грулля В.А., Кикина,А,Й. и др. разработаны теоретические положения устойчивости сжатых тру-бобетонных конструкций, но для каждого конкретного типа констру* цик необходимо построить аналитический аппарат и алгоритм расчета.

В результате проведенного обзора литературных источников можно сделать 'вывод об актуальности выбранной темы диссертационной работы. Были определены основные задачи, решение которых представляет научныА и практический интерес.

Во второй глава исследуются вопросы устойчивости двух типо сталежалеэобетонных конструкций. Сталежелезобетонный элемент рассматривается как стержень, находящийся под действием Р , смещенных на расстояние е от оси колонны (рисЛ).

Рис.' I. .Расчетная схема внецентренно--сжаюгс стержня

Принимаются следующие общеизвестные допущения: материал, использованный в конструкции, считается идеально труготластичным;

пределы текучести стали- при сжатии и растяжении одинаковы; при деформации стержней вод поперечных сечений не изменяется, деформации в поперечных сечениях распределяются согласно за-зну плоскости;

уравнение изогнутой осевой линии колонны определяется в виде: кривизна осевой линии колонны определяется кан

г Р ¿Р •

Рассматривая распределение: напряжений и деформаций в сред-5м по длине колонны сечении, можно выделить следующие основные 1учаи напряженного состояния: случай односторонней текучести; тучай двухсторонней текучести; случай полного сжатия сечения.

Различия в описаниях напряженных состояний исследуемых жструкций определяются выражениями, используемыми для вычистил значений главного вектора - /к* и главного момента эпюры >рмальных напряжений - Нц.

Длина стержня определяется выражением« . '-

б-*1(е№нс-хщ: (I)

Для определения значений ¿к/ , Л? и еу> необходимо ре-1ть систему уравнений ' ' , '

Дв <рг<,,с) = е' >Л(Р»-Р) (3)

функция Лагранжа. : -V

Прогиб в среднем сечении колонны определяется

окончательно, после преобразований получим ГД9! ф)

Значение, удовлетворяющее (5} , соответствует системе ура] нений (2) и'является критическим.

Таким образом алгоритм вычисления значений , ¿у> и вклшает: формулы для вычисления значений Рь*, Нъ» и формулу (I). '

Определение значений ЫвН и Р0Н выполняется в результате . рассмогрення эпюр распределения напряжений и деформаций в сред ййх поперечных сечениях исследуемых конструкций. Эти эпюры для случая односторонней текучести показаны на рис. 2, а для случа полной текучести в бетоне на рис.3.

Для случая полной текучести в бетоне уравнения критическс го состояния конструкции'записываются в виде:

Для главного вектора продольных напряжений.'

А» - Г, (б

где Н у к, , ^ , V - геометрические размеры, показанные на рис.Э; ц , с -.характеристики напряженного состояния;

• *> - ё * -В)] Ь 9 (7

' Для главного момента относительно центра тяжести выделен ного прямоугольника АБР& : <"

где

Рис. 2.

а) в)

сечение стержня, б) эпюра напряжений.в бетоне, эпюра напряжений в стали, г) эпюра- деформаций.

Рис. 3. а) сечение покрытия, б) эпюра, напряжений в бетоне,

в,) эпюра напряжений в стали в случае односторонней текучести, в^)эпюра напряжений в стали в случае двухсторонней текучести,

т.Л огттп пяЛопманий.

Используя зависимость' кривизны колонны и зависимости, определяемые напряженным состоянием, получено аналитическое вы-оажение

-о (ю;

ля определения значения критического прогиба используется усло-ие определения экстремума зависимости напряжения <5» от вели-ины прогиба / . Таким образом, при

(п;

случаем - .

вставляя"(12) в (10^ , определяем зависимость мелду критйчес-1ми значениями длины колонны 1кр , среднего напряжения . и ссцентриситетом е в виде

(13)

Для случал двухсторонней, текучести рис. 3 аналогичная лисимость получена в веде , : '.

(14)

Построенные для различных значений-эксцентриситета е^ яфики критических зависимостей (У'у^ ; А - £ ) рис.4,'

ложены в основу практических рекомендаций для определения пре-льних допустимых нагрузок конструкций, исследуемых на устой-вость. ' 1 •

Аналогичные зависимости получены при исследовании сталеке- , зобетонных колонн.с жесткой арматурой.

В третьей главе приведены результаты исследований устой-вости составной грубобетонной колонны при.кратковременном наг-жении. ■ " •• •

На рис.5 приводятся згторы распределения напряжений и дефор-аций в сечении трубобетонной колонны в случае двухсторонней экуче'сти.

Получено уравнение для определения критического, значения гносительного эксцентриситета' нагрузки т. - ^

От г

з уравнения (15) определяется критическое значение параметра . щ, , подставляя которое в выражение

, г о V Г* т <М*Ч> 6* тсе}<л 7 , .

зределяем критическое значение С , соответствующее величине 1грузии Рнр.

.В диссертации получены значения переменных , А у,, В</ , у>( для случая полного сжатия сечения, односторонней текучее-двухсторонней текучести и случая односторонней текучести с )лной текучестью в Трубо. ' .

Для всех исследованных случаеп напряженного состояния размотаны программы. Результаты расчётов, выполненных на ЭВМ, >зволили построить номограмму критических зависимостей

Г ' „

-/п - в которой объединяются результаты расче-

)в по всем рассмотренным напряженным состояниям. На основании ?ой номограммы получен граждан критических зависимостей " У-А" ж фиксированных значениях эксцентриситета /«.'"'рис.б , на ¡новании которого, могут быть даны практические рекомендации > расчёту подобных конструкций,на устойчивость при кратковрв-!нном загружении, , , . ' . ;

Глава 4 . посвящена рассмотрению вопросов .исследования »ойчивости сталежелезобетонных конструкций при длительном

Рис.5 . а) сечение стержня, б) эпвра напряжений в стали, в) опора напряжений в бетоне, г) агора деформаций

значениях эксцентриситета /л .

внецентренном нагружении. Постановка задачи выполняется на осн< вании теории старения бетона

¿'-ЪЬГ.-ьФУ^м ОД

Для определения значений Рвн и Мвн необходимо рассмотреть эпюры напряжений и деформаций в поперечном сечении исследуемых конструкций с учетом временных зависимостей, определяемых ползучестью бетона. Определив выражения Рвн и Мвн по эпюрам напряжений и деформаций рис.2, как функции двух параметров о и С , дифференцируем их по времени уравнения равновесия

Рвн - Р

В результате дифференцирования получим

(И,

¿Р1н сК

1- &&. . <?/Ч Ус дРб* л/ л п

М Ж Ж ТсУГ+Тс? Ж~ Р'Ш '

Пс эпюре деформаций бетона, - рис.2 . определяем

V ;

С учетом ползучести.бетона определим • ...

■ в^+в*)^ .бе и

Л , ^ ; (2С

Значения, параметров' V« , /3 и <5 определяются експеримен-талы:о. V " ' , .••■■•

Численное решение снстеш ди^еренциальпых - уравнений (1Р (19),(20) .выполнено на &Ш.'Начальное .'условия определяются из решение. задачи 'устойчивости при- кратковременном нагружешм. -.'..• Ко," ркс.*? приведен. 'та зяписимост!:- прогиба / от г.рс

(19

коэффициентах армирования

(7) 0,02*6 (¿) 000431 (5) /1=0,00222

мени, полученные при расчёте сталежелеэобетонных покрытий для

трёх значений.коэффициентов армирования

■

Г е*

На рис.8 показаны процессы изменения относительной дефо мации С, ц среднем сечении.

Аналогичная задача решена для сталежелеэобетоншх 'колонн с жесткой арматурой и трубобетонных колонн с растянутым поясо Реализованы программы численного интегрирования систем дифференциальных уравнений, определяющих временные изменения в этр конструкциях напряжений, деформаций и прогибов.

В пятой главе проанализированы результаты теоретически} и экспериментальных,исследований, выполненных соискателем.

Для проведения экспериментальных исследований было изготовлено 40 образцов трубобетонных колонн с растянутым поясом. Размеры образцов показаны на рис.9. Испытания образцов лрове; ны сначала при действии на них кратковременных нагрузок, а зг тем при действии длительных нагружений. (см. табл. 2).

В процессе испытаний проводились измерения прогибов обр! цов и деформаций в'срединных.сечениЛх. Результаты этих изме] ний приведены в табл.1.

Таблица I,' Прогиба колонны при различных нагрузках

> нагрузка . . (Кн) 80, ПО 140 170 20

расчетное значение Прогиба <м) х ю+3 .13,2 15 16,-3 ' 19: 3

замеренный прогиб (м) х ТО3 12,9 14,4 ' 16 19,7 31

при разных величинах коэффициента армирования (?) ¿«цог/е (¿) /г- о,о(Пзч @ ^=цаоггг

Ряс.S,Опытны"; образец трубобетошок т'олоннн с • растянет; поясом. i

АД.

Сравнение экспериментальных и расчётных значений прогибов жазывает их хорошее соответствие.

В эксперименте определялись таюы значения РКр , приво-гщие к потери устойчивости образцов.

В табл.2 приведены значения РКр, полученные в расчётах и :спериментах при разных значениях эксцентриситетов нагруження ? .

Максимальная относительная погрешность составляет 12,4 едняя же относительная погрешность составляет 2,68 %.

В испытаниях на длительное нагружение значение силы Р алось равным 90 - 95 & от значения Р^ , полученного на алогичных образцах при кратковременном нагружения. В экспе-ментах измерялись прогибы и относительные деформации. По ра- . пьтатам измерений построены графики зависимостей прогиба £ времени для нескольких исследованных образцов рис.10 . авнение графиков построенных по данным эксперимента с резуль-гами теоретических расчётов поназало их хорошее соответствие.

5 позволяет иопользовать разработанный метод и программы, реа-

1 ■

зующие его, для выполнения расчётов.конструкций этого типа устойчивость, . , .

Таблица 2. Результаты экспериментальных и вычислительных исследований трубобетонных колонн с растянутым поясом при кратковременных нагружениях

мер эксцентриситет разрушающая нагрузка разница

лонш нагруженш е расчетная РР эксперим. РР

м Кн Кн *

I 0,1052 217250 224000 - 3,1

2 0,0952 23486У . 241000 - 2,6

3 ' . 0,0623 . 332339 350000 - 5,3

4 0,1052 - 233653 . 239000 ' ■ - 2,3

5 0,0623 ' 357427 361000 - 0,999

'б 0,1052 195674 189000 3,4

7 0,0952 '211540 207000 - 2,2

8 0,0623 299329 302000 - 0,89

9- 0,1052 • 222432 250000 -12,4

[0 . 0,0952 240467 240000 - 0,194

и. 0,0623 ' '340261 ; 346500 - 1.8

[2 " . ' 0,1052-. 263777 ' 260000 1,4

[3 ' 0,0952 • 285164- .280000 . ' 1,8

[4. ' 0,0623 403507 ... 393000 2,6

[? * 0,1052 225310 , 218000 ; . 3,24

16 ■ ' 0,0952 243578 .4 249000 -

[7 ; .0,0623 344663 341000 •. 1Д :

■-';■■'.• ''..-• 24 - ' . .

Основные результаты и вывода

1. В диссертационной работе выполнены теоретические исследования устойчивости трех типов сталежелезобетонных конструкций» сталежелеэобетонных покрытий, сталежелезобетонних колош с «ее кой арматурой итрубобетокных колонн с растянутым поясом при действии на них кратковременных нагружений. ;

2. По результатам расчётов на"ЭВМ для сталежелвзобетонных покрытий построены графики зависимостей " V - А " , при различи фиксированных значениях вксцентриситетов, по которым определи: ся условия критического состояния. Эти зависимости могут, быть использованы впрактииеских расчётах,

3. Для трубобетонных колонн с растянутым поясом получены зави симости критических значений параметров при кратковременном ; нагружении конструкции. Построен графики критических зависни тёй " Ч - А " , которые могут быть использованы при выполи« нии расчётов'устойчивости конструкций с подобными сечениями.

4. Решены задачи'исследования .процессов деформации сталежеле: бетонных, конструкций -при действии на них длительных нагрузок, Получены системы Обыкновенных дифференциальных уравнений, в ] эультате численного интегрирования которых определен» времен; зависимости для лрогибов »; деформаций в срединном сечении ко лонн. . ■ ;..'.'•

, 5. Выполнена проверка результатов теоретических исследований составных трубобетонных колонн, с растянутым поясом путем со поставления их с результатами экспериментов. Хорошее совпаде теоретических и экспериментальных результатов позволяет сдел

•выводы о возможности применения разработанных методик и прог для расчётов устойчивости аналогичных конструкций.

■ Основное содержание работы отражено в публикациях: Аыаних A.C. Устойчивость комбинированных трубобатоншх систем при длительном загружают. СБ трудов. Статические и ди-яамические задачи расчёта сложных строительных конструкций. Пекинград: ЛИСИ. 1988 - 4с.

Цманих A.C. Устойчивость комбинированных трубобетонных сис-при длительном загружен™. СБ трудов. Статические и динами-1вскив задачи расчета сложных строительных конструкций. Ленинград; ЛИСИ 1989 - б с.